(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショットを加速して被処理品に投射するショットピーニング方法において、
一の粒度ピークをもつショットと他の粒度ピークをもつショットとを混合して一本の投射ノズルから被処理品の所定の被処理面に向けて噴出させてその被処理面に衝突させることを特徴とするショットピーニング方法。
【請求項２】
ショットを加速して被処理品に投射するショットピーニング方法において、
一の粒度ピークをもつショットと他の粒度ピークをもつショットとを２本の投射ノズルに別個に分けて、両投射ノズルから被処理品の所定の被処理面に向けて同時に噴出させてその被処理面に衝突させることを特徴とするショットピーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として鋼製加工品の曲げや捻り疲労強度を向上させるショットピーニング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄鋼製部品における表面強度を高める手段として実施されているショットピーニング加工にあっては、一般に直径が０．４ｍｍ以上の大きさの鉄系ショットを用いることが多いが、これは深い領域まで圧縮残留応力を生成させる必要があるからである。ところが、このショットの大きさに比例して圧縮残留応力のピークは表面から内部に移動し、例えば直径０．８ｍｍのショットでは表面下１００ミクロン程度の内部に圧縮残留応力のピークが生じる一方、表面にはピーク値に比較して低い圧縮残留応力しか生成しないという問題点があった。
【０００３】
また、疲労亀裂は表面または浸炭品では浸炭異常層の深さである１０〜５０ミクロンの深さ位置より発生し、内部に進展することから、最表面や表面近傍の圧縮残留応力も内部と同様に高めることが強度向上に有効であることが判り、如何に最表面の圧縮残留応力値を高めるかがショットピ−ニングによる品質向上の課題であった。
【０００４】
このようなことから、２種類の粒径の異なるショットを用いて行う二段ショットピーニングが既にいくつか提案されている。例えば、特開平２−１５６０２０号公報によって、鋼部材に浸炭焼入れを施した後、第一ショットピーニング処理し、その後に時効処理して第二ショットピーニングを行う二段ショットピーニング方法が知られている。また、特開平６−１４５７８５号公報に、浸炭焼入れ処理および焼戻し処理を施された浸炭鋼部材に二段ショットピーニングを行うことが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような二段ショットピーニングが疲労強度向上の効果を奏する理由については、一次ショットピーニングにて比較的粒径の大きいショットを用いて鋼部材表面に圧縮残留応力層の深さを増し、次の二次ショットピーニングにて比較的粒径の小さなショットを用いて最表面の圧縮残留応力を高めるという加算効果によって、強度上最適な残留応力分布状態を得ようとするものである。
【０００６】
しかしながら、このような二段ショットピーニングによれば、確かに強度上最適な残留応力分布状態を得られることが判るが、その作業に際して粒径の異なるショットに交換して作業することになるので、手数がかかりコストアップするという問題点がある。しかも、この種ショットピーニング処理を施されると被処理材の表面粗さを増大させ、例えば、耐ピッチング強度の低下につながるという問題点がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、大小サイズの異なるショットを混合したものを投射して、二段ショットピーニングと同等でより効果的な疲労強度向上の効果を得ることができるショットピーニング方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述された目的を達成するために、本発明によるショットピーニング方法は、第１に、
ショットを加速して被処理品に投射するショットピーニング方法において、
一の粒度ピークをもつショットと他の粒度ピークをもつショットとを混合して一本の投射ノズルから被処理品の所定の被処理面に向けて噴出させてその被処理面に衝突させることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明によるショットピーニング方法は、第２に、
ショットを加速して被処理品に投射するショットピーニング方法において、
一の粒度ピークをもつショットと他の粒度ピークをもつショットとを２本の投射ノズルに別個に分けて、両投射ノズルから被処理品の所定の被処理面に向けて同時に噴出させてその被処理面に衝突させることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、投射されるショット粒の大きいもので被処理品の表層部における圧縮残留応力層の深さを増すことができ、ショット粒の小さいもので最表面の圧縮残留応力を高めるという従来の二段ショットピーニングによる効果を一回のショットピーニングで得ることができるという効果を奏するのである。しかも、同時に大小入り混じったショット粒が同じ投射条件で投射されることにより、結果的に被処理面の面粗さが小さくなるという効果も併せ得られるのである。また、一本の投射ノズルの場合、被処理品の所定の被処理面に対して同時に粒度ピークの異なるショットがいっせいに衝突されるので比較的短時間で処理することができ、投射量を加減して処理時間を短縮することが可能になる。また、粒度ピークの異なるショットをそれぞれ区別して２本の投射ノズルにより被処理品の所定の被処理面に投射すれば、その被処理面の表面形状に応じて前記投射ノズルからの投射状態を変えるなどして効率よくショットピーニングすることが可能になる。なお、いずれにおいても被処理品はその向きを変えて行われるようにする。
【００１１】
前記使用するショットの粒度分布は、一の粒度ピークが粒径０．０５〜０．２ｍｍの範囲にあり、その他の粒度ピークが粒径０．４ｍｍ以上にあるようにして投射するのがよい。また、その混合されたショットの投射重量は、被処理品の投射面積当たり１００ｇ／ｃｍ２以上とするのがよい。こうすると、被処理品における表面から２０ミクロンの範囲に圧縮残留応力ピークが生じるとともに、内部にも高い圧縮残留応力が生じるなど、それぞれの粒度分布に応じて生じる残留応力分布を組合わせたような分布になり、これが一挙に形成されるという効果を奏することが判った。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるショットピーニング方法の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
本発明のショットピーニング方法は、従来の二段ショットピーニングにおけるショットサイズの残留応力に及ぼす影響について鋭意研究の結果、その操作を巧みに組合わせることによって、より合理的に有効な結果を得ることができたのである。
【００１８】
特に、直径が０．０５〜０．２ｍｍの粒度分布をもつショットとそれ以上のサイズのショットを混ぜたような粒度ピークが２つ以上あるショットを混ぜ合せて使用することにより、表面から２０ミクロンの範囲に圧縮残留応力ピークが生じるとともに、内部にも高い圧縮残留応力が生じるなど、それぞれの粒度分布に応じて生じる残留応力分布を組合わせたような分布になることが判明した。
【００１９】
また、本実施例では、前述のように、直径が０．０５〜０．２ｍｍの粒度分布をもつショットとそれ以上のサイズ（例えば直径が０．４ｍｍ以上）の粒度分布をもつショットとを、それぞれ別のエアなどの流体で加速して個々のノズルから噴射して同じ被処理品に衝突させても、前記粒度ピークが２つ以上あるショットを混ぜて噴射させる場合と同様な残留応力分布にできる。
つまり、従来の二段ショットピーニングのように、二工程に分けて処理しなくとも、十分に均一に混合したショットを用いることにより、一工程のショットピーニングによって同様な残留応力分布が得られるのである。
【００２０】
以下に具体的なショットの粒度分布とショット後の残留応力分布との関係を示しながら本実施例について説明する。
【００２１】
表１に試験したショットの粒度（分布）とその配合率を示す。なお、ショットとしては硬さＨＲｃ６０程度の鉄系のものを使用した。また、供試材は浸炭用肌焼き鋼材で有効硬化深さ１ｍｍに浸炭浸窒焼入れ焼戻し後、それぞれ試験を行った。
試験片  丸棒φ３０ｍｍ×７０ｍｍＬ
【００２２】
【表１】
0004208298.tif 000002
【００２３】
次に、図１に示すのは、ショットピーニングによる残留応力分布の比較をグラフで表わす図であり、前記表１におけるＮｏ１，Ｎｏ２，Ｎｏ３，Ｎｏ４，Ｎｏ５の各試料について深さ方向の残留応力分布を比較して示している。なお、各試料については、表１の備考欄に示されるように、Ｎｏ１は浸炭処理をしたままのもの（記号：ＧＣＱＴ）、Ｎｏ２は従来の一段ピーニング処理したもの（記号：８−ＨＳＰ）、Ｎｏ３は細粒ピーニング処理をしたもの（記号：１−ＨＳＰ）、Ｎｏ４は従来の二段ピーニング処理をしたもの（記号：８１−ＨＳＰ）で、Ｎｏ５は本発明による実施例のもの（記号：ＭＩＸ−１）である。この図１のグラフより、本発明の実施例であるＮｏ５（ＭＩＸ−１）の残留応力分布は、従来の二段ピーニング（８１−ＨＳＰ）と同等の残留応力分布を示しており、しかも一段ピーニング（８−ＨＳＰ）よりも高い表面圧縮残留応力が得られることが判る。
【００２４】
また、図２には混合ショットの比率と投射量を変化させた場合における表面下２０ミクロンの圧縮残留応力の平均値を示している。ショットの直径０．１ｍｍの混合比率が少なくとも、投射時間を増加することにより混合比率が高い場合と同様な圧縮残留応力値を示すことから、小径ショットの衝突する頻度を上げることにより（小径側の投射密度を増すことにより）、混合比率に拘らず表面近傍に高い圧縮残留応力の生成が可能であることが判る。要するにカバレージを上げることで高い圧縮残留応力の生成が可能である。
【００２５】
また、図３には前記試験片の表面粗さを比較して表わしており、（ａ）は各試験片の面粗さを表わすグラフ、（ｂ）は各試験片の処理に対応するショットとカバレージを示している。この図３に示される面粗さ（Ｒｍａｘ）によれば、従来の０．８ｍｍのショットによる１段ピーニングの面粗さ（９ミクロン）や従来の二段ピーニングの面粗さ（７．５ミクロン）と比較して、本発明に係る実施例の混合ピーニングによる試験片の面粗さは少ないことが判る。すなわち、実施例の試験片（ＭＩＸ−１〜５）のいずれもが６ミクロン以下である。なお、この比較例では試験片（ＭＩＸ−１）と（ＭＩＸ−２）のものがよい結果を示している。
【００２６】
このような試験の結果から、使用するショットの粒度分布が２つ以上の分布ピークを有するものを同時に被処理品に投射して処理する本実施例によれば、従来の二段ショットピーニングによるのと同等の高い圧縮残留応力の生成が可能になり、しかも、処理された表面の面粗さが従来の処理品に比べて少なくなるという好結果が得られることが判った。
【００２７】
次に、前述のショットピーニング方法により加工された機械部品（ギア）の一具体例について、その残留応力分布と面粗さを、従来のショットピーニングによるものと比較して、図４に歯車における歯底部の残留応力分布の比較をグラフで表わす図、および図５に歯車における歯面部の面粗さを比較したグラフによって示している。
【００２８】
この具体例における歯車は、歯形がモジュール３．２５の減速機用歯車であり、一般的な浸炭用鋼に浸炭焼入れ・焼戻し処理を適用した後に、各種条件にてショットピーニングを施したものである。
【００２９】
図４によると、従来のφ０．８ｍｍショット単独でショットピーニングしたもの（８ＨＳＰで表わされているもの）では、最表面の圧縮残留応力が−４０Ｋｇ／ｍｍ２  程度と比較的低いが、小径ショットと大径ショットの混合比率が７：３（ＭＩＸ７３で表わされているもの）、混合比率が５：５（ＭＩＸ５５で表わされているもの）のテスト結果では、最表面の圧縮残留応力が−８０Ｋｇ／ｍｍ２  以上に増加し、最表面から２０ミクロンまでの深さの範囲での平均の残留応力は１００Ｋｇ／ｍｍ２  を越えた高い圧縮残留応力が確認できる。しかも、最表面から５０ミクロンよりも深い領域でも０．８ｍｍ単独ショットピーニング（８ＨＳＰで表わされている）同等程度の高い圧縮残留応力が確認されており、表面から内部まで従来技術に比較して高い圧縮残留応力を生成することが歯車においても可能であることがわかる。なお、グラフ中、１ＨＳＰは細粒ピーニングを、８１ＨＳＰは従来の二段ショットピーニングの場合をそれぞれ表わしている。
【００３０】
一方、図５に示される歯車における歯面部の面粗さを比較したグラフによると、前述の実施例における丸棒試験片の場合と同様に、混合ショットピーニングによる処理品（前記ショットピーニング処理、ＭＩＸ７３およびＭＩＸ５５）は、従来技術（前記単一ショットピーニング８ＨＳＰおよび二段ショットピーニング８１ＨＳＰ）に比較しても歯面の面粗さが小さく、６ミクロン（Ｒｍａｘ）以下にできることが判る。
【００３１】
次に、前記ショットピーニング方法を実施するピーニング装置の具体例について説明する。
【００３２】
図６に示されるのは、粒度分布が2以上のショットを混合して一本の投射ノズルから被処理品に向けて投射する混合ショットピーニング装置の概要図である。この第一の実施例装置にあっては、粒度分布の異なるショットを収容するホッパ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ……を配置して、それぞれに分級されたショットを収容しておき、その所要の粒度のショットを混合装置１１に所要の比率で供給して混合するようにそれぞれのホッパから混合装置１１に配管されている。なお、各ホッパの取出し口には図示されないが開閉弁が設けてある。
【００３３】
前記混合装置１１によって混合されたショットは、圧縮空気（以下、単にエアという）の供給源（エア供給源）１３から送り込まれるエアの貯留される加圧タンク１２内に送られ、この加圧タンク１２を経てミキサ１４に所要量ずつ混合されたショットが供給され、そのミキサ１４によってエア供給源１３からのエアと供給される混合ショットとを混ぜて投射ノズル１５に送り、被処理品に投射する構成とされている。なお、必要に応じて前記装置をさらに一基用意して二箇所から被処理品に対して混合ショットを投射するようにしてもよい。
【００３４】
このような第一実施例の装置によれば、2以上の粒度分布ピークを有するショットを、選択して所要の割合で混合して一本の投射ノズル１５から被処理品に投射し、所望の表面処理を施すにあたり、その投射ノズル１５一本から投射させるので、生産効率を上げることができる。
【００３５】
次に、図７に示されるのは、他の混合ピーニング装置の概要図であって、粒度分布の異なる２種類のショットを使用してそれぞれ別個に投射させる形式のものである。この第二実施例では、選択される粒度ピークが小さい径のショットの投射系列と粒度ピークが大きい径のショットの投射系列とを別個に分けて設けられたものである。したがって、前記第一実施例とはショットのホッパ１０′，１０″がそれぞれの系列で一個ずつ特定され、エア供給源からのエアの供給は各系列ごとに分岐供給される構成で、その他の各部については前記第一実施例と同じであるので同一の符号を付して詳細説明を省略する。
【００３６】
このような混合ピーニング装置においては、例えば一方の投射ノズル１５ａからは粒径の小さいショットを被処理品に向けて投射させ、他方の投射ノズル１５ｂからは粒径の大きいショットを投射させるようにし、その投射量を予め設定した割合で両投射ノズル１５ａ，１５ｂから被処理品に向けて同時に投射するようにされる。こうすれば、被処理品の表面形状などにより投射ノズル１５ａ，１５ｂの向きを変えるなど投射状態を状況に応じて変えて効率よく処理作業を行うことができる。
【００３７】
図８に示されるのは、前述のピーニング装置におけるショットの回収再利用のプロセスを付加して示す全体概要図である。
【００３８】
このようなショットの回収再利用の方式を組合わせることにより、前述のような投射を一本の投射ノズル１５で行うか、複数の投射ノズル１５ａ，１５ｂ…を用いて行うか、いずれの方式であっても、使用されたショットを回収して再利用できるようにすることが産業廃棄物の削減とショットの再利用による資材の経済的な活用になる。
【００３９】
この実施例は、前記ショットの投射装置における被処理品の回転などワーク（被処理品）の移動装置１６には、投射されたショットがワークを支持している受け台の下に落下して集合できる受け皿のようなものを設けておき、その受け皿にて受け止められた投射済みショットがシュートなどによって集められて回収できるショット回収装置１７を配置する。
【００４０】
前記ショット回収装置１７によって集められ回収された使用済みショットは、振動ふるいなど微粉除去装置１８を併設して、この微粉除去装置１８に供給して破砕されたショットをふるいわけて再利用できるショットを回収させる。回収された再利用可能なショットは、ショットの供給装置２０に送られて新たなショットと混合して使用されるようにする。
【００４１】
前記ショットの供給装置２０は、新品のショットを貯留して所要量ずつ秤量して供給する新品ショット秤量供給装置２１（前記実施例におけるホッパに対応して、秤量装置が付加される）と、前記微粉除去装置１８でふるい分けられた回収ショットを受け入れて所定の粒度に分級するとともに、それらの回収ショットの重量を計測する分級および重量計測装置２２と、分級されたショットを仕分けされて収容する回収ショット用ホッパおよびそのショット供給装置２３（前記実施例におけるホッパに対応）とを備え、使用されるショットの粒度選択並びに供給量を新品ショットと回収ショットとの混合率などを設定して両者を混合する混合装置を所有させてなる。
【００４２】
このようなショットの供給装置２０に対して、前述の混合条件は別途配設の混合制御装置２５によって、混合されるショットの条件をそれぞれ選択して指令が与えられるようになされている。なお、前記混合制御装置２５においては、予め設定されているプログラムによって前記ショットの供給割合・混合の条件などを制御するようになされている。図中符号２６はエアを加圧タンク１２に供給する条件を計測設定する流量計・圧力計などの計器である。
【００４３】
このようなショットの回収再利用の設備を付帯させることにより、被処理品に対して投射使用されたショットのうち破砕されていないショットを回収し、さらに分級して所要の粒度分布に分けて新たなショットと混合して再び使用することで、使用済みとして廃棄される場合多量になる廃棄物が、そのかなりの量を回収することによって削減でき、しかも新品のショットの使用量が回収ショットの利用で少なくでき、その両方の利点を活用することでショットピーニングのコストダウンを図ることができる。
【００４４】
本実施例におけるホッパ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ……は本発明のショット収納容器に、エア供給源は流体供給装置に、微粉除去装置は破砕されたショットを分離する装置に、分級および重量計測装置は回収したショットの粒度分布を測定する装置に、それぞれ対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ショットピーニングによる残留応力分布の比較をグラフで表わす図である。
【図２】図２は、混合ショットの重量比率、カバレージと表面圧縮残留応力の関係を示す図である。
【図３】図３は、試験片の表面粗さを比較したグラフ（ａ）、および処理に対応するショットとカバレージを表わす表（ｂ）である。
【図４】図４は、歯車における歯底部の残留応力分布の比較をグラフで表わす図である。
【図５】図５は、歯車における歯面部の面粗さを比較したグラフである。
【図６】図６は、混合ピーニング装置の概要図である。
【図７】図７は、他の混合ピーニング装置の概要図である。
【図８】図８は、ピーニング装置におけるショットの回収再利用のプロセスを付加して示す全体概要図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０′，１０″    ホッパ（ショット収容容器）
１１                混合装置
１２                加圧タンク
１３                エア供給源
１４                ミキサ
１５                投射ノズル
１６                ワーク移動装置
１７                ショット回収装置
１８                微粉除去装置
２０                ショットの供給装置
２１                新品ショット秤量供給装置
２２                分級および重量計測装置
２３                回収ショット用ホッパ・ショット供給装置
２５                混合制御装置
Ａ                  被処理品
【図１】
0004208298.tif 000003
【図２】
0004208298.tif 000004
【図３】
0004208298.tif 000005
【図４】
0004208298.tif 000006
【図５】
0004208298.tif 000007
【図６】
0004208298.tif 000008
【図７】
0004208298.tif 000009
【図８】
0004208298.tif 000010