Method of manufacturing a coil spring

この発明は、例えば車両の懸架機構等に使用されるコイルばねの製造方法に係り、特にショットピーニング条件に関する。

従来より、コイルばねにショットピーニングを行なうことによって、表面付近に圧縮残留応力を付与し、疲労強度を高めることが知られている。 例えば下記の特許文献１あるいは特許文献２に開示されているように、ショットピーニングを複数回に分けて実施する多段ショットピーニングも知られている。 また、圧縮残留応力をばね表面から深い位置まで生じさせるための手段として、コイルばねを圧縮した状態でショットを投射するストレスピーニングや、コイルばねを２５０℃前後に加熱してショットを投射する温間ピーニング（ホットピーニング）なども知られている。

前記ストレスピーニングは、コイルばねを圧縮するための設備が必要である。 しかもコイルばねを圧縮した状態でショットを投射するためばね素線間の間隔が狭くなり、その分、コイルばねの内側やばね素線間にショットが当たりにくくなるという問題がある。 前記温間ピーニングは、温度を適正に保たないと所望の残留応力分布が得られないため、温度の管理が難しい。

一方、ばね鋼に特定の合金成分を添加することによって、コイルばねの疲労強度を向上させることも考えられるが、特殊な合金成分を含むばね鋼は高価であり、コイルばねのコストが高くなる原因となっている。

従って本発明の目的は、２段階のショットピーニングによって疲労強度をさらに高めることができるコイルばねの製造方法を提供することにある。

本発明のコイルばねの製造方法は、第１のショットピーニング工程と、該第１のショットピーニング工程後に行なわれる第２のショットピーニング工程とを具備したコイルばねの製造方法であって、前記第１のショットピーニング工程は、 第１の処理温度で第１のショットを第１の投射速度でばね素線に打付けることによって前記ばね素線の内部に圧縮残留応力の絶対値が最大となる第１のピーク部が存在するように圧縮残留応力を生じさせ、前記第２のショットピーニング工程では、 前記第１の処理温度よりも低い第２の処理温度で第２のショットを前記第１の投射速度よりも遅い第２の投射速度でかつ前記第１のショットの運動エネルギーよりも小さな運動エネルギーで前記ばね素線に打付け、前記第１のピーク部よりも表面に近い部分の圧縮残留応力を増加させることにより、前記表面と前記第１のピーク部との間に前記第１のピーク部よりも圧縮残留応力の絶対値が小さい第２のピーク部を形成する 。

本発明において、前記第２のショットのサイズが第１のショットのサイズよりも小さくてもよいし、あるいは第２のショットのサイズが第１のショットのサイズと同じであってもよい。 いずれにしても、第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度よりも小さく（遅く）することにより、第２のショットの運動エネルギーを第１のショットの運動エネルギーよりも小さくする必要がある。 また、前記第１のショットピーニング工程と前記第２のショットピーニング工程とを１５０〜３５０℃の処理温度で行なうとよい。

本発明のショットピーニング条件によれば、第１のショットを高速で打付けることによる高運動エネルギーの第１のショットピーニング工程と、第２のショットを低速で打付けることによる低運動エネルギーの第２のショットピーニング工程とによって、コイルばねの疲労強度を高める上でより有効な圧縮残留応力の分布を得ることができる。 また第２のショットピーニング工程ではインペラーの回転数を下げることができるため、騒音と振動および消費電力を小さくすることができる。

本発明の１つの実施形態に係るコイルばねを備えた自動車の一部の側面図。

図１に示されたコイルばねの斜視図。

図２に示されたコイルばねの製造工程の一例を示す図。

図２に示されたコイルばねの製造工程の他の例を示す図。

本発明に係る実施例１の圧縮残留応力分布を示す図。

本発明に係る実施例２および比較例の圧縮残留応力分布を示す図。

以下に本発明の１つの実施形態に係るコイルばねとその製造方法について、図面を参照して説明する。
図１に示す車両１０の懸架機構１１は、コイルばね１２とショックアブソーバ１３とを備えている。 図２に示すようにコイルばね１２は、ばね素線２０を螺旋形に成形したものである。 このコイルばね１２は、軸線Ｘ方向に圧縮された状態で車両１０の荷重を弾性的に支持している。

コイルばね１２の一例は円筒コイルばねである。 ばね素線２０の線径ｄ（図２に示す）の一例は１２．５ｍｍ、平均コイル径Ｄが１１０．０ｍｍ、自由長（無荷重時の長さ）が３８２ｍｍ、有効巻数が５．３９、ばね定数が３３．３Ｎ／ｍｍである。 コイルばね１２の線径は８〜２１ｍｍが主流であるが、これ以外の線径であってもよい。 また、たる形コイルばね、鼓形コイルばね、テーパコイルばね、不等ピッチコイルばね、荷重軸制御コイルばねなど種々の形態のコイルばねであってもよい。

［実施例１］
ばね素線２０の鋼種は、高耐食性ばね鋼（この明細書では便宜上、ばね鋼Ｓと称す）である。 ばね鋼Ｓは耐腐食性を高めた鋼種であり、化学成分（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．４１、Ｓｉ：１．７３、Ｍｎ：０．１７、Ｎｉ：０．５３、Ｃｒ：１．０５、Ｖ：０．１６３、Ｔｉ：０．０５６、Ｃｕ：０．２１、残部Ｆｅである。

図３は熱間成形コイルばねの製造工程を示している。 加熱工程Ｓ１において、コイルばねの材料であるばね素線が、オーステナイト化温度（Ａ _３変態点以上、１１５０℃以下）に加熱される。 加熱されたばね素線が曲げ工程（コイリング工程）Ｓ２において螺旋形に曲げられる。 そののち、焼入れ工程Ｓ３と焼戻し工程Ｓ４等の熱処理が行なわれる。

前記熱処理により、硬さが５０〜５６ＨＲＣとなるようにばね素線が調質される。 例えば設計最大応力１３００ＭＰａのコイルばねでは、硬さが５４．５ＨＲＣとなるように調質される。 設計最大応力１２００ＭＰａのコイルばねでは、硬さが５３．５ＨＲＣとなるように調質される。 そしてホットセッチング工程Ｓ５において、コイルばねに軸線方向の荷重が所定時間付与される。 ホットセッチング工程Ｓ５は、前記熱処理後の余熱を利用して温間で行われる。

そののち第１のショットピーニング工程Ｓ６が行なわれる。 第１のショットピーニング工程Ｓ６では、ショットサイズ（粒径）が１.０ｍｍの第１のショット（鉄製のカットワイヤ）が使用される。 この第１のショットを２３０℃の処理温度で、ばね素線に投射速度７６．７ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数２３００ｒｐｍ）、運動エネルギー１２．１１×１０ ^−３ Ｊで投射する。

ショットの投射速度は、ショットピーニング装置のインペラーの径と回転数から求まる周速度に１．３倍を乗じた値である。 例えばインペラー径が４９０ｍｍで、インペラー回転数が２３００ｒｐｍの場合、投射速度は１．３×０．４９×３．１４×２３００／６０＝７６．７ｍ／ｓｅｃとなる。

第１のショットピーニング工程Ｓ６では、第１のショットを高速の第１の投射速度でばね素線に打付けるため、高い運動エネルギーを有する第１のショットによって、ばね素線の表面から深さ方向に深い領域にわたって圧縮残留応力が発現する。 第１のショットピーニング工程Ｓ６によるばね素線の表面粗さは７５μｍ以下がよい。

第１のショットピーニング工程Ｓ６が行なわれたのち、第２のショットピーニング工程Ｓ７が行なわれる。 第２のショットピーニング工程Ｓ７では、前記第１のショットよりも小さい第２のショットが使用される。 第２のショットのショットサイズ（粒径）は０.６７ｍｍである。 この第２のショットを、２００℃の処理温度で、ばね素線に速度４６ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数１３８０ｒｐｍ）、運動エネルギー１．３１×１０ ^−３ Ｊで投射する。

このように実施例１では、第２のショットピーニング工程Ｓ７で使用する第２のショットの運動エネルギーを、第１のショットピーニング工程Ｓ６で使用する第１のショットの運動エネルギーよりも小さくしている。 しかも第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度よりも小さく（遅く）している。

第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度よりも小さくする手段として、例えばインペラーを回転させるためのモータの回転数をインバーター制御によって変化させてもよいし、あるいはモータとインペラーとの間に配置される減速機構の減速比を変化させるようにしてもよい。

表１は、ショットピーニング条件によるショットの運動エネルギーを比較したデータである。 ショットサイズが大きければ、投射速度が同じでも運動エネルギーが大きくなる。 例えばショットサイズが１ｍｍの大玉ショットは、０．８７ｍｍのショットと比較して、運動エネルギーが約１．５倍となる。 ショットサイズが１．１ｍｍの大玉ショットの場合には、０．８７ｍｍのショットと比較して、運動エネルギーが約２倍となる。 逆に、ショットサイズが０．６７ｍｍの小さなショットは、０．８７ｍｍのショットと比較して、投射速度が同じなら運動エネルギーが半分以下となる。 ショットサイズが０．４ｍｍのショットでは、０．６７ｍｍのショットと比較して投射速度を約２倍にしても、運動エネルギーは小さくなる。

前記第１のショットピーニング工程Ｓ６と第２のショットピーニング工程Ｓ７の処理温度は、１５０〜３５０℃が適している。 すなわち熱処理後の余熱を利用した温間ピーニング（ホットピーニング）である。 しかも第２のショットピーニング工程Ｓ７は、第１のショットピーニング工程Ｓ６よりも低い処理温度で行なわれる。

実施例１のショットピーニング工程Ｓ６，Ｓ７によれば、従来のストレスピーニングのようにコイルばねを圧縮することなく表面から深い位置まで大きな圧縮残留応力を生じさせることができる。 このため、ストレスピーニングのようなコイルばねを圧縮する設備が不要であり、かつ、ばね素線間の間隔が狭くなることがないため、コイルばねの内側やばね素線間にもショットを十分打付けることができる。

前記２段階のショットピーニング工程Ｓ６，Ｓ７が行なわれたのち、プリセッチング工程Ｓ８と塗装工程Ｓ９が行なわれる。 そののち、コイルばねの外観や特性等を検査するために検査工程Ｓ１０が実施される。 なお、プリセッチング工程Ｓ８を省略してもよい。

図４はコイルばねを冷間でコイリングする場合の製造工程を示している。 図４に示すように、コイリング前のばね素線に予め焼入れ工程Ｓ１１と焼戻し工程Ｓ１２等の熱処理が行われている。 このばね素線を、曲げ工程（コイリング工程）Ｓ１３において冷間で螺旋形に成形する。 そののち歪取り焼鈍工程Ｓ１４において、コイルばねを所定温度の雰囲気中に所定時間放置することによって、成形時に生じた加工歪が取り除かれる。

この冷間コイリングの場合も図３の熱間成形コイルばねと同様に、ホットセッチング工程Ｓ５と、第１のショットピーニング工程Ｓ６と、第２のショットピーニング工程Ｓ７と、プリセッチング工程Ｓ８と、塗装工程Ｓ９と、検査工程Ｓ１０が行なわれる。 なお、コイルばねが温間でコイリングされてもよい。 なお、プリセッチング工程Ｓ８を省略してもよい。

図５は実施例１のコイルばねの圧縮残留応力の分布を示している。 図５の横軸は、ばね素線の表面から深さ方向の位置を示している。 図５の縦軸は残留応力値を示しているが、当業界の慣例として圧縮残留応力値がマイナスで表わされている。 例えば−４００Ｍｐａ以上とは、絶対値が４００Ｍｐａという意味である。 引張残留応力値はプラスで表わされるが図５には描かれていない。

図５に示すように実施例１のコイルばねの圧縮残留応力は、ばね素線の表面からばね素線の内部に向って深さ方向に圧縮残留応力が増加する残留応力増加部Ｔ１と、圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２と、圧縮残留応力が最大となる残留応力のピーク部Ｔ３と、残留応力のピーク部Ｔ３からばね素線の深さ方向に圧縮残留応力が減少する残留応力減少部Ｔ４とを有している。

前記したように実施例１では、第１のショットピーニング工程Ｓ６と第２のショットピーニング工程Ｓ７とによる２段階ショットピーニング（温間ダブルショットピーニング）が実施される。 すなわち１段目の第１のショットピーニング工程Ｓ６では、高速で投射される第１のショットの高運動エネルギーによって、表面から深い位置まで圧縮残留応力が生じる。

そして２段目の第２のショットピーニング工程Ｓ７では、低速で投射される第２のショットの低運動エネルギーによって、図５に矢印ｈで示すように、圧縮残留応力のピーク部Ｔ３よりも表面に近い部分の圧縮残留応力が増加する。 こうして表面付近から深い領域にわたって圧縮残留応力が高いレベルで維持される残留応力分布を得ることができる。

前記したように第１のショットピーニング工程Ｓ６では運動エネルギーの大きな第１のショットが使用され、第２のショットピーニング工程Ｓ７では運動エネルギーの小さい第２のショットが使用される。 しかも第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度よりも小さくしている。 このため、第１のショットピーニング工程Ｓ６によって表面粗さが大きくなっているばね素線の表面粗さを第２のショットピーニング工程Ｓ７によって小さくすることができ、ばね素線の表面状態が改善される。

［実施例２］
ばね素線の鋼種はＳＵＰ７である。 ＳＵＰ７の化学成分（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．５６〜０．６４、Ｓｉ：１．８０〜２．２０、Ｍｎ：０．７０〜１．００、Ｐ：０．０３５以下、Ｓ：０．０３５以下、残部Ｆｅである。 実施例２の製造工程はショットピーニング条件以外は実施例１と共通である。 実施例２も、第１のショットピーニング工程と第２のショットピーニング工程とによる２段階ショットピーニング（温間ダブルショットピーニング）が実施される。

実施例２では、第１のショットピーニング工程において、ショットサイズ０．８７ｍｍの第１のショットを第１の投射速度７６．７ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数２３００ｒｐｍ）でばね素線に打付けた。 処理温度は２３０℃である。 そののち、第２のショットピーニング工程において、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットを第２の投射速度４６ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数１３８０ｒｐｍ）でばね素線に打付けた。 処理温度は２００℃である。 このように実施例２も実施例１と同様に、第２のショットの投射速度と運動エネルギーを、第１のショットの投射速度と運動エネルギーよりも小さくした。

図６中の実線Ａは実施例２の圧縮残留応力分布を示している。 実施例２のコイルばねも、ばね素線の表面から深さ方向に圧縮残留応力が増加する残留応力増加部Ｔ１と、圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２と、圧縮残留応力が最大となる残留応力のピーク部Ｔ３と、残留応力のピーク部Ｔ３からばね素線の深さ方向に圧縮残留応力が減少する残留応力減少部Ｔ４とを有している。

実施例２の場合も実施例１と同様に、第１のショットピーニング工程における第１のショットの高い運動エネルギーによって深い領域まで圧縮残留応力が発現し、第２のショットピーニング工程における第２のショットの低速度で低い運動エネルギーによって表面近傍の圧縮残留応力が増加している。

［比較例］
ばね素線の鋼種は実施例１と同じくＳＵＰ７である。 製造工程は、第２のショットピーニング工程で用いる第２のショットの投射速度以外は実施例２と共通である。 すなわち比較例では、第１のショットピーニング工程において、ショットサイズ０．８７ｍｍの第１のショットを第１の投射速度７６．７ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数２３００ｒｐｍ）でばね素線に投射した。 処理温度は２３０℃である。 そして第２のショットピーニング工程において、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットを、第１のショットと同じ投射速度７６．７ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数２３００ｒｐｍ）でばね素線に投射した。 処理温度は２００℃である。 図６中の破線Ｂは比較例の圧縮残留応力分布を示している。

前記実施例２と比較例との双方を大気中で疲労試験（７３５±５２０ＭＰａ）を行ったところ、比較例は約１０万回で折損したが、実施例２では約２０万回と疲労寿命が約２倍に延びた。 比較例では第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度と同じにしたため、実施例２に匹敵する疲労強度（大気耐久性）をもたらすような残留応力分布を得ることができなかった。

なお、第２のショットのサイズを例えば０．４ｍｍと小さくし、その投射速度を例えば８６．７ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数２６００ｒｐｍ）と増大させれば、第２のショットの運動エネルギーを実施例２に近付けることができる。 しかしこのように投射速度を大きくすると、インペラーの回転数が大きくなることなどによって、騒音や振動の増加、消費電力の増加および装置の摩耗増大などの問題が発生するため、投射速度を大きくすることは量産化（実用化）に適していない。

これに対し実施例１，２では、第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度よりも小さくする（遅くする）ことによって表面付近の圧縮残留応力を高めているため、騒音や振動および消費電力を小さくすることができ、ショットピーニング装置の摩耗も減らすことができる。 このため製造コストを低減させることが可能である。

しかも実施例１，２とも、第２のショットピーニング工程では第１のショットピーニング工程よりも小さい第２のショットが使用され、かつ、第２の投射速度を第１の投射速度より小さくしている。 このためばね素線の表面粗さを小さくすることができ、ばね素線の表面状態が改善される。 このことも疲労強度（大気耐久性）の改善に効果を奏している。

なお、第１のショットピーニング工程で用いる第１のショットと、第２のショットピーニング工程で用いる第２のショットのサイズを互いに同じにしてもよい。 要するに、第２のショットの投射速度を第１のショットの投射速度よりも小さく（遅く）することにより、第２のショットの運動エネルギーを第１のショットの運動エネルギーよりも小さくすればよい。

以上説明した各実施例による効果は鋼種によらず同様の傾向が認められ、懸架用コイルばねに通常使用されているばね鋼を用いて疲労強度を改善することができるため、コイルばねの材料コストが高くなることを抑制できる効果もある。

１２…コイルばね ２０…ばね素線 Ｔ３…圧縮残留応力のピーク部