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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-11
(45)【発行日】2024-03-19
(54)【発明の名称】金属加工方法
(51)【国際特許分類】
   B23K 26/356 20140101AFI20240312BHJP
   B23K 26/352 20140101ALI20240312BHJP
【FI】
B23K26/356
B23K26/352
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2020135039
(22)【出願日】2020-08-07
(65)【公開番号】P2022030792
(43)【公開日】2022-02-18
【審査請求日】2022-10-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000191009
【氏名又は名称】新東工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100161425
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 鉄平
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 由華
【審査官】松田 長親
(56)【参考文献】
【文献】特開2009-085332(JP,A)
【文献】特表2010-507056(JP,A)
【文献】特開2016-044335(JP,A)
【文献】特開2017-80777(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 26/00-26/70
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属部材の滑り案内面に圧縮残留応力を付与するために前記滑り案内面にピーニングを行う工程と、
前記ピーニングが行われた前記滑り案内面にレーザ加工でテクスチャを付与する工程と、
を備える金属加工方法。
【請求項2】
前記ピーニングはショットピーニングである、請求項1に記載の金属加工方法。
【請求項3】
前記ピーニングはレーザーピーニングである、請求項1に記載の金属加工方法。
【請求項4】
前記テクスチャを付与する工程では、パルス幅がピコ秒台又はナノ秒台のレーザを用いる、請求項1~3の何れか一項に記載の金属加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、金属加工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1は、摺動面を有する金属製のすべり軸受を開示する。摺動面は、エンジンのクランクシャフトのジャーナル部と接触する。摺動面には、超短パルスレーザ加工により微細なテクスチャが付与される。摺動面における潤滑油の平均油膜厚さはテクスチャによって制御され、摺動抵抗が低減される。
【0003】
特許文献2は、摺動面を有する金属製の摺動部材を開示する。摺動面は、ショットピーニング加工により凹凸面が形成されるとともに凹凸面近傍に圧縮残留応力が付与される。圧縮残留応力が付与された摺動面は、疲労強度が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2019-49330号公報
【文献】特開2018-189129号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載の超短パルスレーザ加工は、摺動面などの滑り案内面に任意の形状の凹凸を付与できるものの滑り案内面の疲労強度の向上について改善の余地がある。対照的に、特許文献2に記載のショットピーニング加工は、滑り案内面の疲労強度を向上できるものの滑り案内面に任意の形状の凹凸を付与することが困難である。本開示は、低抵抗性及び耐疲労破壊性に優れた滑り案内面を形成する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示に係る金属加工方法は、金属部材の滑り案内面に圧縮残留応力を付与するために滑り案内面にピーニングを行う工程と、ピーニングが行われた滑り案内面にレーザ加工でテクスチャを付与する工程とを備える。この方法によれば、ピーニングによって滑り案内面に圧縮残留応力が付与される。そして、レーザ加工によって滑り案内面にテクスチャが付与される。レーザ加工は、物理的な力を滑り案内面に付与することなく、レーザ照射によって滑り案内面を溶融させて表面形状を制御できる。このため、この金属加工方法は、金属部材内の圧縮残留応力を低減することなく滑り案内面を任意の形状にできる。よって、この金属加工方法は、低抵抗性及び耐疲労破壊性に優れた滑り案内面を形成できる。
【0007】
一実施形態においては、ピーニングはショットピーニングでもよい。一実施形態においては、ピーニングはレーザーピーニングでもよい。
【0008】
一実施形態においては、テクスチャを付与する工程では、パルス幅がピコ秒台又はナノ秒台のレーザでもよい。この場合、金属加工方法は、アブレーション加工を実現できるため、連続波レーザによる熱加工と比べて発生する熱及びスパッタを抑えられる。このため、金属加工方法は、金属部材の滑り案内面の形状制御性を向上できるので、低抵抗性の向上に寄与できる。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、低抵抗性及び耐疲労破壊性に優れた滑り案内面を形成する技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本実施形態に係る金属加工方法のフローチャートである。
図2】金属加工方法の加工対象となる金属部材を説明する概要図である。
図3】ピーニング工程を説明する図である。
図4】レーザ加工工程を説明する図である。
図5】タイリング加工及びブラスト加工による加工工程を説明する図である。
図6】実施例及び比較例の評価結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附す。
【0012】
図1は、本実施形態に係る金属加工方法のフローチャートである。図1に示されるように、方法MTは、準備工程(ステップS10)、ピーニング工程(ステップS12)、及びテクスチャ付与工程(ステップS14)を含む。
【0013】
準備工程(ステップS10)においては、加工対象の金属部材が用意される。金属部材10は、一例として、クロムモリブデン鉄鋼材などである。このような金属部材10は、一例として車両のエンジントランスミッションのCVT又はベアリングなどに用いられる。準備工程(ステップS10)においては、金属部材10に真空浸炭処理が行われ、金属部材10の表層に活性炭素を浸透拡散させる。これにより、金属部材10の表面は、硬化して耐摩耗性が得られる。真空浸炭処理が行われた金属部材10の表面は、滑り案内面として機能させることができる。
【0014】
図2は、金属加工方法の加工対象となる金属部材を説明する概要図である。図2に示されるように、金属部材10は、滑り案内面10aを有する。滑り案内面10aは、他の金属部材20aが金属部材10と接触しつつ相対的に移動するための摺動面である。図2の例では、滑り案内面10aは、水平方向の平面であり、他の金属部材20を水平方向に案内する。なお、滑り案内面10aは、曲面であってもよい。
【0015】
図1に戻り、続いて、ピーニング工程(ステップS12)が行われる。ピーニング工程(ステップS12)においては、金属部材10の滑り案内面10aにピーニングが行われる。ピーニングは、金属部材10の滑り案内面10aに圧縮残留応力を付与するために行われる。ピーニングは、レーザーピーニング又はショットピーニングを用いることができる。レーザーピーニングにおいては、金属部材10を水中に配置し、パルス時間幅が数ナノ秒のレーザパルスを金属部材10の滑り案内面10aに照射する。滑り案内面10aの表層はアブレーションされて高圧のプラズマが発生する。プラズマによる圧力によって圧縮残留応力が付与される。ショットピーニングにおいては、ピーニングメディアを金属部材10の滑り案内面10aに投射する。ピーニングメディアの衝突力によって圧縮残留応力が付与される。圧縮残留応力が付与された滑り案内面10aは、疲労強度が向上する。
【0016】
図3は、ピーニング工程を説明する図である。図3の(A)は、レーザーピーニングが行われた金属部材10の滑り案内面10aの表層における断面図である。図3の(A)に示されるように、滑り案内面10aの表面から深さD1に至る金属部材10の内部において、圧縮残留応力が付与される。図3の(B)は、ショットピーニングが行われた金属部材10の滑り案内面10aの表層における断面図である。図3の(B)に示されるように、滑り案内面10aの表面から深さD2に至る金属部材10の内部において、圧縮残留応力が付与される。図3の(A)及び図3の(B)に示されるように、ピーニングによって滑り案内面10aの形状は大きく変化しない。また、レーザーピーニングは、ショットピーニングと比較して、より深い位置に圧縮残留応力を付与することができる(深さD1>深さD2)。レーザーピーニング及びショットピーニングによって、圧縮残留応力は、滑り案内面10aの表面が最も高く、材料内部に向かうにつれて低くなる特徴的な応力分布となる。レーザーピーニングによって圧縮残留応力が付与される深さD1は、一例として500μmであり、ショットピーニングによって圧縮残留応力が付与される深さD2は、一例として300μmである。
【0017】
図1に戻り、続いて、テクスチャ付与工程(ステップS14)が行われる。テクスチャ付与工程(ステップS14)においては、レーザ加工によって滑り案内面10aにテクスチャが形成される。テクスチャとは、表面形状であり、一例としてディンプル、溝などである。レーザ加工は、滑り案内面10aの表面にレーザを照射し、再表面を融解・蒸発させることで表面形状を制御する。レーザ加工は、材料への熱影響が少なく、再表面から深さ1~2μmまでの範囲材料の硬さ及び金属組織を変化させることなく加工できる特徴を有する。つまり、レーザ加工は、加工前の金属部材10の状態を加工後においても維持できる(ビッカース硬さの変化は±5%)。このようなレーザ加工は、パルス幅がピコ秒台又はナノ秒台のレーザを用いることにより実現される。パルス幅がピコ秒台又はナノ秒台のレーザは、アブレーション加工を実現できるため、連続波レーザによる熱加工と比べて発生する熱及びスパッタを抑えられる。よって、パルス幅がピコ秒台又はナノ秒台のレーザは、加工前の金属部材10の状態を加工後においても一層維持できる。
【0018】
図4は、レーザ加工工程を説明する図である。図4の(A)は、レーザーピーニングが行われた金属部材10の滑り案内面10aにテクスチャであるディンプル10bが付与された表層における断面図である。図4の(A)に示されるように、ディンプル10bの深さは、圧縮残留応力が付与された深さD1よりも浅い。図4の(B)は、ショットピーニングが行われた金属部材10の滑り案内面10aにディンプル10bが付与された表層における断面図である。図4の(B)に示されるように、ディンプル10bの深さは、圧縮残留応力が付与された深さD2よりも浅い。図4の(A)及び図4の(B)に示されるように、ディンプル10bの近傍は、圧縮残留応力が付与された状態が維持される。
【0019】
以上で図1に示される方法MTは終了する。方法MTによって、付与された圧縮残留応力を維持しながら金属部材10の滑り案内面10aを任意に加工することができる。図5は、タイリング加工及びブラスト加工による加工工程を説明する図である。図5に示されるように、テクスチャ付与工程(ステップS14)を、レーザ加工ではなくタイリング加工又はブラスト加工で行った場合、力F1によってディンプル10bが形成される。このとき、金属部材10の内部に力F2が加わるため、金属部材10の圧縮残留応力が変化してしまう。これに対して、方法MTは、ピーニングの後にレーザ加工を行うことにより、付与された圧縮残留応力を維持しながら金属部材10の滑り案内面10aを任意に加工することができる。
【実施例
【0020】
以下、方法MTの効果を説明するために実施例及び比較例を説明する。
【0021】
[被加工品]
被加工品として真空浸炭処理を施したクロムモリブデン鉄鋼材を用意した。
【0022】
[実施例1]
最初に被加工品に圧縮残留応力を付与した。圧縮残留応力は、ショットピーニングにより付与した。ショットピーニングは、新東工業製ABT型の装置を用いた。ピーニングメディアは東洋精鋼製RCW3PUを用いた。ピーニング条件は、噴射量13.5kg/mim、噴射圧力0.5MPa、カバレージ300%とし、アークハイト0.27mmNのピーニング処理を行った。被加工品に圧縮残留応力を付与した後にテクスチャを付与した。テクスチャは、レーザ加工により付与した。レーザ加工は、新東エスプレシジョン製パルスファイバー式レーザ加工機を用いた。加工条件は、波長1064nm、スポット径30μm、パワー密度6×10W/cmとした。テクスチャとして、直径200μm、深さ10μmのマイクロディンプルを形成した。
【0023】
[実施例2]
最初に被加工品に圧縮残留応力を付与した。圧縮残留応力は、レーザーピーニングにより付与した。レーザーピーニングは、SAGA HP社製Nd:YAGレーザ加工機を用いた。ピーニング条件は、波長532nm、スポット径1.0mm、パワー密度17.5×10W/cmとした。被加工品に圧縮残留応力を付与した後にテクスチャを付与した。テクスチャは、実施例1と同一の装置で実施例1と同一の加工条件で付与した。テクスチャとして、直径200μm、深さ10μmのマイクロディンプルを形成した。
【0024】
[比較例1]
最初に被加工品に圧縮残留応力を付与した。圧縮残留応力は、ショットピーニングにより付与した。ショットピーニングは、実施例1と同一の装置で実施例1と同一のピーニング条件で行った。被加工品に圧縮残留応力を付与した後にテクスチャを付与した。テクスチャは、タイリング加工により付与した。タイリング加工は、タイリング工具(登録商標)を用いて、MAZAK製マシニングセンターで行った。テクスチャとして、直径200μm、深さ10μmのマイクロディンプルを形成した。
【0025】
[比較例2]
最初に被加工品に圧縮残留応力を付与した。圧縮残留応力は、レーザーピーニングにより付与した。レーザーピーニングは、実施例2と同一の装置で実施例2と同一のピーニング条件で行った。被加工品に圧縮残留応力を付与した後にテクスチャを付与した。テクスチャは、タイリング加工により付与した。タイリング加工は、比較例1と同一の装置で比較例1と同一の加工条件で行った。テクスチャとして、直径200μm、深さ10μmのマイクロディンプルを形成した。
【0026】
[比較例3]
最初に被加工品に圧縮残留応力を付与した。圧縮残留応力は、ショットピーニングにより付与した。ショットピーニングは、実施例1と同一の装置で実施例1と同一のピーニング条件で行った。被加工品に圧縮残留応力を付与した後にテクスチャを付与した。テクスチャは、ブラスト加工により付与した。ブラスト加工は、新東工業製 MY型の装置を用いた。ショットメディアは、粒径106μmのアルミナ粒子とした。テクスチャとして、直径200μm、深さ10μmのマイクロディンプルを形成した。
【0027】
[比較例4]
最初に被加工品に圧縮残留応力を付与した。圧縮残留応力は、レーザーピーニングにより付与した。レーザーピーニングは、実施例2と同一の装置で実施例2と同一のピーニング条件で行った。被加工品に圧縮残留応力を付与した後にテクスチャを付与した。テクスチャは、ブラスト加工により付与した。ブラスト加工は、比較例3と同一の装置で比較例3と同一のショットメディアで行った。テクスチャとして、直径200μm、深さ10μmのマイクロディンプルを形成した。
【0028】
[圧縮残留応力付与後の物性測定]
実施例1、2及び比較例1~3について、圧縮残留応力付与後に被加工品のビッカース硬さ及び圧縮残留応力を測定した。残留圧縮応力は、株式会社リガク社製オートメイトを用いて、CuKα特性X線、コリメータφ4mm、応力乗数-318MPa/deg、2Θ回折角156.4°の条件でsin二乗ψ法により測定した。実施例1、比較例1、比較例3のショットピーニング後のビッカース硬さはHV800、圧縮残留応力は-400MPaであった。実施例2、比較例2、比較例4のレーザーピーニング後のビッカース硬さはHV820、圧縮残留応力は-1400MPaであった。
【0029】
[テクスチャ与後の物性測定]
実施例1、2及び比較例1~3について、テクスチャ付与後に圧縮残留応力を測定した。残留圧縮応力は、圧縮残留応力付与後の物性測定と同一の装置及び条件で測定した。結果を図6に示す。図6は、実施例及び比較例の評価結果を示す表である。実施例1の圧縮残留応力は-1390MPaであった。つまり、テクスチャ付与前後で-990MPaの変化となった。実施例2の圧縮残留応力は-1370MPaであった。つまり、テクスチャ付与前後で+30MPaの変化となった。比較例1の圧縮残留応力は-850MPaであった。つまり、テクスチャ付与前後で-450MPaの変化となった。比較例2の圧縮残留応力は-820MPaであった。つまり、テクスチャ付与前後で+380MPaの変化となった。比較例3の圧縮残留応力は-1050MPaであった。つまり、テクスチャ付与前後で-650MPaの変化となった。比較例4の圧縮残留応力は-950MPaであった。つまり、テクスチャ付与前後で+450MPaの変化となった。
【0030】
[テクスチャ付与後の圧縮残留応力を評価]
テクスチャ付与後の圧縮残留応力を評価した。圧縮残留応力は、例えば被加工品が自動車用のトランスミッション歯車の場合、-1200MPa以上が要求される。圧縮残留応力が-1200MPa以上を「〇:良好」、-1200MPa未満を「△:不良」とした。図6に示されるように、実施例1、2の評価は「○」となり、比較例1~4は「△」となった。このため、実施例1、2は、要求される残留圧縮応力を満たすことができ、比較例1~4は、要求される残留圧縮応力を満たすことができないことが確認された。
【0031】
[油だまり加工の評価]
実施例1、2及び比較例1~3について、設計通りの油だまり(ディンプル)が形成されているか否かを評価した。設計上の寸法から±5%以内のものを「〇:良好」、±5%以上の加工精度の悪いものを「△:不良」とした。油田だまりの体積精度は、安定した潤滑性能を得るために重要なパラメータである。これらの評価は、断面SEM画像を取得して行った。図6に示されるように、実施例1、2は、実施例1、2、比較例1、2の評価は「○」となり、比較例3、4は「△」となった。このため、実施例1、2、比較例1、2は設計通りの油溜まりを形成することができ、比較例3、4は、設計通りの油溜まりを形成することができないことが確認された。
【0032】
[総合評価]
テクスチャ付与後の圧縮残留応力の評価と、油だまり加工の評価とを勘案して総合評価とした。両方の項目で良好の場合には「○」とし、何れか一方が不良の場合には「△」とした。図6に示されるように、実施例1、2の評価は「○」となり、比較例1~4は「△」となった。このため、実施例1、2は、低抵抗性及び耐疲労破壊性に優れた滑り案内面が形成され、比較例1~4は、低抵抗性及び耐疲労破壊性に優れた滑り案内面とはいえないことが確認された。
【符号の説明】
【0033】
10…金属部材、10a…滑り案内面。
図1
図2
図3
図4
図5
図6