特開 2022-72090 柱状加工部品の外周表面のバニシング加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022072090

(43)【公開日】2022-05-17

(54)【発明の名称】柱状加工部品の外周表面のバニシング加工方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 39/04 20060101AFI20220510BHJP

   B21J 5/06 20060101ALI20220510BHJP

【ＦＩ】

B24B39/04 Z

B21J5/06 Z

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020181333

(22)【出願日】2020-10-29

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2021-11-05

(71)【出願人】

【識別番号】391029392

【氏名又は名称】中川特殊鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥田 勝

【テーマコード（参考）】

3C158

4E087

【Ｆターム（参考）】

3C158AA01

3C158AA12

3C158AA16

3C158CA01

3C158CB03

3C158CB10

4E087AA08

4E087CA22

4E087EA12

4E087EC18

4E087HA02

4E087HA93

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ショットピーニング、ＷＰＣ、あるいはローラバニシング法を用いることなく、表面硬度を増加させ、かつ高精度の面粗度で表面を仕上げることが可能な加工部品の外周表面のバニシング加工方法を提供する。
【解決手段】柱状加工部品１０の外周表面のバニシング加工法は、位置が固定され、中心部に内側表面に沿って突起部２４が設けられた貫通孔２２を有したダイス２０の上方から、加工部品を加圧手段に固定されたパンチ３０を介して貫通孔中に加圧しながら押し込み、突起部を通過させることにより加工部品の全外周あるいは一部をバニシング加工して、簡便に表面の平滑度と表面硬度を向上させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

位置が固定され、柱状の加工部品の断面形状に整合した断面形状を有して前記加工部品を縦方向に受容可能な貫通孔を有したダイスと、加圧手段に固定されたパンチとを用い、
前記パンチを介して前記加工部品を上から加圧して前記貫通孔を部分的あるいは完全に通過させて前記加工部品の全外周あるいは一部の表面をバニシング加工した後、前記加工部品を前記ダイスから取り出す工程からなる前記加工部品の外周表面の加工方法であって、
前記貫通孔の内周には全周または一部に沿って突起部が設けられ、前記突起部の最内周の大きさが前記加工部品の加工前の外径よりも小さく設定されており、前記加工部品が前記突起部を通過する時に前記加工部品の外周面が内側に向かって一様に加圧され、塑性変形するように構成されている
加工部品の外周表面のバニシング加工方法。

【請求項2】

前記加工部品の断面形状が回転対称形である、請求項１に記載のバニシング加工方法。

【請求項3】

前記突起部が前記ダイスと同じ素材で構成され、コーティングにより表面硬度（ＨＶ）が３０００以上にされている、請求項１または２に記載のバニシング加工方法。

【請求項4】

前記加圧手段がサーボプレスあるいは油圧プレスである、請求項１～３のいずれか１項に記載のバニシング加工方法。

【請求項5】

前記加工部品をバニシング後、前記ダイスの貫通孔を完全に通過させて前記ダイスから取り出す、請求項１～４のいずれか１項に記載のバニシング加工方法。

【請求項6】

前記加工部品をバニシング後、前記ダイスの前記貫通孔の出口方向からカウンターパンチにより前記貫通孔の入口から押し戻して前記ダイスから取り出す、請求項１～４のいずれか１項に記載のバニシング加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ストレートピンやピニオンギア等の高硬度部品の外周表面を高精度で加工し、かつ表面硬度を増加させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば自動車のトランスミッションで用いられるストレートピンやピニオンギア等の部品の外周表面は、加工精度が悪いと力の伝達能力が低下することにより自動車の燃費等の性能に直接影響を及ぼす。従って、これらの部品には外周表面の表面粗さを高精度に仕上げること、かつ高い耐久性、即ち高い硬度を付与することが要求される。

【0003】

表面の硬度を増加させるための加工技術として、従来からショットピーニングやＷＰＣ（Wide Peening and Cleaning）（登録商標）処理、ローラバニシング等が用いられてきた。ショットピーニングは、機械部品等の表面にサブミリメートル径の微粒子を高速で照射することにより表面に圧縮残留応力を付与し、疲労強度を向上する技術として広く用いられている。ＷＰＣ処理は、従来のショットピーニングよりも格段に微細な直径数１０μｍ 程度の粒子を１００ｍ／秒以上の高速で照射して表面に圧縮残留応力を付与する技術である（非特許文献１）。一方、ローラバニシングは、高硬度のローラで加工部品の表面を加圧しながら回転移動させることにより、表面の平滑度と表面硬度を向上させる加工技術である（非特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６６４７６６４号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】松村、浜坂、ＫＯＭＡＴＳＵ ＴＥＣＫＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ、Ｖｏｌ．５２、Ｎｕｍｂｅｒ １５８、ｐｐ．８－１２、（２００６）

【非特許文献2】https://www.sugino.com/site/qa/sp-technical-strongpoint04r.html

【非特許文献3】小林他、ばね論文集、第５７号、９－１５ページ、（２０１２）

【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、ショットピーニングやＷＰＣの場合、微粒子の照射により表面に微細な凹凸が生じ、表面精度の高精度化が難しいという問題があった。また、高圧エアーを用いる特殊な装置を必要とし、表面上の一点に一方向から照射する構成のため、加工部品を回転させながら軸方向に走査させる必要があった。従って量産性に問題があり、加工コストが高くなる傾向があった。

【0007】

また、ローラバニシングは、加工部品の表面をローラにより転圧加工して表面を塑性変形させ表面を滑らかにする加工方法であり、この場合も円柱状の加工部品を装置に固定して、回転させながら軸方向にも移動させる必要があるため、１個の加工部品の処理に時間がかかり、量産性と加工コストに問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の発明者等は、加工穴の内径以上の外径を有するリング状チップを備えたバニシング工具を加工部品の加工穴を通過させバニシングすることにより、加工穴の内側の表面の面粗度と表面硬度を高めることができることを示した（特許文献１）。本発明では、中心部に貫通孔を備え、その内周に沿って突起部が設けられたダイスを用い、その中を柱状の加工部品を通過させることにより、加工部品の外周表面にバニシング加工を施すことができ、これにより外周表面の面粗度及び表面硬度を大きく改善できることを見出した。

【0009】

本発明による加工部品の外周表面のバニシング加工方法は、
位置が固定され、柱状の加工部品の断面形状に整合した断面形状を有して前記加工部品を縦方向に受容可能な貫通孔を有したダイスと、加圧手段に固定されたパンチとを用い、
前記パンチを介して前記加工部品を上から加圧して前記貫通孔を部分的あるいは完全に通過させて前記加工部品の全外周あるいは一部の表面をバニシング加工した後、前記加工部品を前記ダイスから取り出す工程からなる前記加工部品の外周表面の加工方法であって、
前記貫通孔の内周には全周または一部に沿って突起部が設けられ、前記突起部の最内周の大きさが前記加工部品の加工前の外径よりも小さく設定されており、前記加工部品が前記突起部を通過する時に前記加工部品の外周面が内側に向かって一様に加圧され、塑性変形するように構成されている。

【0010】

前記加工部品の断面形状は回転対称形を含んでいる。また、前記突起部は前記ダイスと同じ素材で構成され、コーティングにより表面硬度（ＨＶ）が３０００以上にされていることが望ましい。

【0011】

前記加圧手段はサーボプレスあるいは油圧プレスを含み、前記加工部品はバニシング後、前記ダイスの貫通孔を完全に通過させて前記ダイスから取り出しても、前記貫通孔の出口方向からカウンターパンチにより前記貫通孔の入口から押し戻して前記ダイスから取り出してもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明による加工部品の外表面のバニシング加工を用いれば、従来のショットピーニング、ＷＰＣ、あるいはローラバニシング法を用いることなく、表面硬度を増加させ、かつ高精度の面粗度で表面を仕上げることが可能となる。さらに、本発明によれば、バニシングを行うためのダイスや加工部品を加圧するためのパンチを用意し、既製の加圧装置に取り付けるだけでよく、特殊な装置を用いることなく極めて短時間で部品の表面加工を行うことができる。従って、複数の加工部品を並列して処理することも容易にできるため、量産性の向上、ランニングコストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明による種々の形状（Ａ～Ｄ）の加工部品のバニシング加工法の構成を模式的に示す図である（（Ａ）ストレートピン、（Ｂ）ピニオンギア、（Ｃ）つば付きピン、（Ｄ）ギアシャフト）。

【図2】加工部品（（Ａ）ストレートピン、（Ｂ）ピニオンギア）と、本発明のバニシング加工で用いるダイスの断面形状（左下）及びダイス内側の突起部の拡大図（右下）である。

【図3】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートピン表面付近の断面電子顕微鏡写真である。

【図4】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートピン表面付近の深さ方向の残留応力の変化を示したグラフである。

【図5】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートピン表面付近の深さ方向の硬度の変化を示したグラフである。

【図6】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートギアの歯面の表面付近の断面電子顕微鏡写真である。

【図7】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートギアの歯面の表面付近の深さ方向の残留応力の変化を示したグラフである。

【図8】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートギアの歯面の表面付近の深さ方向の硬度の変化を示したグラフである。

【図9】本発明のバニシング加工を行う前後の、ストレートギアの歯面の表面付近の軸方向と高さ方向の表面粗さのデータである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明による外表面のバニシング加工方法を模式的断面図で図１（Ａ）～（Ｄ）に示す。ダイス２０の中心部に設けられた、加工部品の断面形状に整合した断面形状を有した貫通孔２２の中に、熱処理を済ませた加工部品１０（具体的には、（Ａ）ストレートピン、（Ｂ）ピニオンギア、（Ｃ）つば付きピン、（Ｄ）ギアシャフト）を、パンチ３０を用いて上側から加圧しながら押し込み、（Ａ）、（Ｂ）の場合は加工部品１０をそのまま貫通孔２２を貫通させ、（Ｃ）、（Ｄ）の場合は加工部品のつばが貫通孔２２の入口に当接するまで押し込み、その後、カウンターパンチ４０により加工部品１０をダイス２０の外に押し出して１工程が完了する。パンチ３０は、サーボプレスや油圧プレス等のような加圧手段を備えた装置の回転部分（図示せず）に嵌め込まれ、それにより加圧昇降運動を行う（特許文献１参照）。

【0015】

ダイス２０の貫通孔２２の上部あるいは内部の一か所には、加工部品１０の断面形状に適合した突起部２４が内周面に沿って設けられており、突起部２４の最内周（頂点を結んだ線）は貫通孔２２の内径、及び加工部品の外径よりも少し小さな径になるように設定されている。加工部品１０がこの突起部２４を通過する際に外周面から内側に向かって一様に加圧され、表面が塑性変形して加工部品１０の外周にバニシング加工が施される。処理時間は、例えば１５ｍｍφのストレートピンの場合、１２～１７ｃｍ／秒の速度での処理が可能であり、従来の方法に比較すると非常に短時間での処理が可能となる。

【0016】

図２は本発明の外面バニシング加工に用いるダイス（金型）２０の断面形状（左下）、及び突起部２４（ベア部）のａ部、ｂ部の拡大図（右下）を示す。ストレートピン用のダイスの貫通孔２２は円筒状であり、部品の外径よりも少し大きい内径に設定されている。貫通孔２２の内部表面には突起部２４（ａ部）が内周に沿って設けられており、その最内周の径は加工部品の外径よりも少し小さい値に設定され、加工部品の表面を圧縮、塑性変形するようにされている。この加工部品の加工前の外半径と突起部２４の最内周の半径の差がバニシング量であり、塑性変形の量となる。また突起部２４の先端部分の角は、塑性変形を容易にし、表面粗さの劣化が生じないように曲面加工（Ｒ）されている。

【0017】

ストレートギア用のダイス２０の場合は、貫通孔２２の断面形状はギアの断面形状に整合して加工部品を受容するように作製されており、突起部２４（ｂ部）はギアの歯面（インボリュート曲面）に相当する部分に設けられており、歯面のみをバニシング加工するように構成されている。ダイス２０の素材は硬度（ＨＲＡ）が９０以上の超高合金を基材としたものであり、突起部２４もダイス２０と同じ素材で構成されている。そして貫通孔の内周表面硬度をさらに増加させるため、コーティングにより表面硬度（ＨＶ）を３０００以上にされている。

【実施例0018】

（ストレートピンの表面加工）
図１の（Ａ）に示した構成を用い、サーボプレスや油圧プレス等のような昇降動作が可能な装置に固定されたパンチによりストレートピン１０を上から加圧してダイス２０を通過させた試料について、表面付近の断面の組織変化を電子顕微鏡で倍率を変えて（５０倍、４００倍、１０００倍）観測した。表面付近の断面電子顕微鏡写真を図３に示す。試料Ａはバニシング加工前、試料Ｂはバニシング量０．０２４ｍｍのバニシング加工を行った後、試料Ｃはバニシング量０．０４３ｍｍのバニシング加工を行った後である。最表面を比較すると、未処理の試料の表面は径の小さな粒子で構成されているのに対して、試料Ｂでは粒径が大きくなっており、さらに試料Ｃではその大きくなった結晶の輪郭がより明確になっていることが分かる。なお、５０倍の写真の下に表示された「残留ｙ量」は残留オーテスナイト量を表す。Ｘ線回折によりマルテンサイト、オーステナイト各相のＸ線回折積分強度を測定し、残留オーステナイト体積率を求めたものである。試料Ａ：３０．０％、Ｂ：２７．３％、Ｃ：２３．０％と、バニシングにより減少し、バニシング量の増加とともにさらに減少している。

【0019】

図４は、上記試料Ａ、Ｂ、Ｃについて、表面からの深さ方向に測定した残留応力の分布を示す。残留応力は、Ｘ線回折法により回折リングを検出し格子間隔を求めて算出した。応力は全て負の値で圧縮応力であることを示している。バニシング加工前の試料Ａは、表面以外は残留応力の絶対値が非常に小さいのに対して、バニシング加工した試料Ｂ、Ｃでは約１０μｍ以上の内部で残留応力が一様に増加したことがわかる。残留応力と上記残留オーテスナイト量には関連があることが報告されている。図３と比較すると、残留オーテスナイト量が減少するにつれて残留応力が大きくなっていることから、残留オーテスナイトが加工誘起により体積のより大きいマルテンサイトへ変化した結果、残留応力が増加したと考えられる（非特許文献３）。

【0020】

図５は、表面から深さ方向に測定した硬さ（マイクロビッカース硬度）の分布を示す。表面から約０．４ｍｍまでの深さ領域の硬度がバニシング加工により増加したことが分かる。図３～５の結果から、バニシング加工を行うことによって、表面の組織の粒径、構造が変化して残留応力が増加し、その結果表面の硬度が上昇することが分かった。

【実施例0021】

（ストレートギアの表面加工）
ストレートギア（ピニオンギア）の場合は、ストレートピンのように外周全てではなく、他のギアの歯面と接触する歯の側面（インボリュート曲面）の部分にバニシング加工を行った。図１の（Ｂ）に示した構成を用いて、実施例１と同様に、パンチ３０がサーボプレスや油圧プレス等のような昇降可能な装置に固定され、ピニオンギア１０を上から加圧して、貫通孔２２を通過させればバニシング加工が完了する。

【0022】

実施例１と同様に、歯面の部分にバニシング加工を行う前と後での歯面の垂直断面の組織変化を、電子顕微鏡で倍率を変えて（５０倍、４００倍、１０００倍）観測した。表面付近の断面写真を図６に示す。試料１はバニシング加工前、試料３はバニシング量０．０１４ｍｍのバニシング加工後、試料６はバニシング量０．０２９ｍｍのバニシング加工後である。また、比較のため歯面にＷＰＣ加工を行った試料が試料２である。最表面を比較すると、未処理の試料１の表面が不規則な粒子の集合体のように見えるのに対して、バニシング量０．０１４ｍｍの試料３では粒界が不鮮明になり、さらにバニシング量０．０２９ｍｍの試料６ではその粒径が大きくなって、内部の粒子の形状と同様の粒子になっていることが分かる。一方、ＷＰＣ加工を行った試料２では、最表面部分が内部よりも大きく荒い粒子となっていることがわかる。

【0023】

図７は、上記試料１、３、６及び２について、歯側面の中央部（図中挿入写真参照）の表面から深さ方向（０～５０μｍ）の残留応力の測定結果を示す。バニシング量０．０１４ｍｍの試料３はバニシング加工前の試料１と比べて圧縮応力に余り大きな増加は見られない。一方、バニシング量０．０２９ｍｍの試料６では、試料１に比べて圧縮応力が表面で３倍以上に大きく増加しているが、深さとともに減少し、４０μｍ以上になると未処理の試料１とほぼ同じになることが分かる。

【0024】

図８は、上記試料１、３、６及び２について、歯側面の中央部（図中挿入写真参照）の表面からの深さ方向に測定した硬さ（マイクロビッカース硬度）の結果を示す。バニシング加工前の試料１は、表面から深くなると徐々に減少し、深さが約１．０ｍｍ以上で一定となっている。バニシング量０．０１４ｍｍの試料３は表面付近では試料１とほとんど変わらないが、深さ０．３～１．０ｍｍの領域では硬さが少し増加する傾向を示した。一方、バニシング量０．０２９ｍｍの試料６は、試料３の場合と異なる変化を示し、試料１と比較して０．１ｍｍ以下の表面部分の硬度のみが増加し、それより深い領域では試料１とほとんど変わらない値を示した。比較のＷＰＣ加工を行った試料２は、試料３に近い変化を示した。図７との比較から、最表面（３０μｍ以下）の残留応力が大きくなることが、表面から深さ０．０５～０．１ｍｍ（５０～１００μｍ）の領域の硬さを増加させていることが分かる。

【0025】

図９は、上記試料１、３、６及び２について、歯側面の中央部から歯の「高さ方向」とギアの厚さ方向「幅方向」（図の写真参照）に測定した表面プロファイルを示す。全体的には高さ方向よりも幅方向（バニシングの加圧方向）の方が表面粗さは小さく（縦スケールに注意）、バニシング量０．０１４ｍｍの試料３は、試料１に比べて幅方向、高さ方向ともに表面粗さが小さくなり、特に幅方向はＲａ（算術平均粗さ）が０．３１から０．１７へ、Ｒｚ（十点平均粗さ）が２．７６から１．７０へ減少し、バニシング量０．０２９ｍｍの試料６ではＲａが０．１０へ、Ｒｚが１．５３へさらに減少していることが分かった。一方、ＷＰＣ処理の試料２ではＲａが０．６５へ、Ｒｚが４．７５へと大きく増加しており、ＷＰＣ処理により表面粗さは劣化していることが分かる。このように、加工部品の外周表面をバニシング処理する方法は、表面の硬化と表面粗さの低減の両立という点で従来の方法よりも優れていることが分かった。

【0026】

なお、上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限定されず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更、及び修正をすることができることは当業者に明らかである。例えば、上記実施例では断面が回転対称の形状の加工部品について記載したが、加工物が柱状で、バニシング加工する範囲の横断面が一様であれば他の形状のものにも適用できる。