JP2007061936A - 金属部材の穴加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】穴加工部における疲労特性を余計な工程を付加することなしに改善する。
【解決手段】旋削工程にて金属部材に対して荒・中加工を施し、次いで、熱処理工程にて該金属部材の少なくとも表層を硬化させ、しかる後、穴加工及び研削工程にて所望の外観形状に仕上げるに当たり、前記熱処理工程の後、1500〜10000min-1の回転数に調整したドリルにより穴加工を施す。
【選択図】図２
【解決手段】旋削工程にて金属部材に対して荒・中加工を施し、次いで、熱処理工程にて該金属部材の少なくとも表層を硬化させ、しかる後、穴加工及び研削工程にて所望の外観形状に仕上げるに当たり、前記熱処理工程の後、1500〜10000min-1の回転数に調整したドリルにより穴加工を施す。
【選択図】図２
Description
本発明は、金属部材の穴加工方法に関するものであり、余計な工程を経ることなしに金属部材の穴加工部分に圧縮残留応力を付加してその部位における疲労特性の改善を図ろうとするものである。
自動車の変速機に使用される伝動軸のような機械加工部品は、通常は、荒・中加工（油路等を形成するための穴加工を含む）を施す旋削工程、外表面に硬化層を形成する浸炭熱処理工程、さらに所望の寸法に仕上げる研削工程を経て製造されるが、とくに、穴加工を施した部位は応力が集中しやすく、そこを起点にして疲労破壊を起こすことが懸念されることから、この種の機械加工部品は研削工程のあとに開孔部などに対し圧縮残留応力を付与してその部位の強化を図るべくショットピーニングなどが施されている。
ところで、上記のような従来の加工方法においてはショットピーニングが追加工程となるため余計な工数がかかるうえ、ショットピーニングを施す対象が直径２mm程度の小さな孔になることから、それ専用の設備が必要となり製造コストの上昇も避けられない状況にあった（例えば特許文献１参照）。
特許第3212433号
本発明の課題は、金属部材を機械加工するに当たってショットピーニングのような余計な工程を経ることなしに穴加工部分に対して圧縮残留応力を付与できる新規な加工方法を提案するところにある。
本発明は、旋削工程にて金属部材に荒・中加工を施し、次いで、熱処理工程にて該金属部材の少なくとも表層を硬化させ、しかる後、穴加工及び研削工程にて所望の外観形状に仕上げるに当たり、前記熱処理工程の後、若しくは該熱処理工程に続く研削工程にて1500〜10000min-1の回転数に調整したドリルにより金属材料に穴加工を施すことを特徴とする金属部材の加工方法であり、前記熱処理は、浸炭又は高周波によるものが適用される。
旋削工程で加工を施した金属部材の少なくとも表層を硬化させた後に1500〜10000min-1の回転数に調整したドリルにより金属材料に穴加工を施すと、加工部位の表面近傍（穴内面近傍）には圧縮残留応力が付与されることとなり、その後にショットピーニングを行わなくとも疲労特性が著しく改善される。
以下、図面を用いて本発明をより具体的に説明する。
図１は従来の要領に従って金属部材を加工する場合の手順を示した図であり、図２は本発明に従って金属部材を加工する場合の手順を示した図である。
図１は従来の要領に従って金属部材を加工する場合の手順を示した図であり、図２は本発明に従って金属部材を加工する場合の手順を示した図である。
従来、荒・中加工を対象とする金属部材の旋削加工においては油路等を形成するための穴加工を熱処理前に行なっており、その後に表層を硬化させる浸炭処理、所望の寸法に仕上げるハードターニング（研削加工）が行なわれ、最後に穴加工を施した部分の疲労特性を改善するためにその部位にショットピーニングを施す合計５工程を経ることにより完成品としていたが、本発明においては図２に示すように、熱処理後に穴加工を施すものであり、ドリルの回転数を1500〜10000min-1に設定するだけでその部位の疲労特性が改善され、ショットピーニングを省略した合計４工程で完成品を得ることができる。
金属部材を硬化させる熱処理を施した後に上記の条件を満足する穴加工を行うと、この穴加工が塑性流動を伴う切削加工となり、加工表面層には大きなひずみが導入され、これによって穴加工後の孔の内面近傍域には極めて高い圧縮応力が付与される。
ドリルによる穴加工においてドリルの回転数を高くするとこれに伴い切削温度が上昇し加工表面に付加される圧縮残留応力は低くなることから、穴加工の際のドリルの回転数を調整して切削温度を制御することで圧縮残留応力を任意に変化させ得る。
外径32.5mm、内径10mmになる中空丸棒（クロムモリブデン鋼（SCM420H）に浸炭焼入れ焼き戻し処理を行なった。熱処理後の中空丸棒は外表面の硬さHRCが62程度、内部（母層）の硬さHRCが30〜40程度、内表面の硬さHRCが50程度であった。次に、この中空丸棒に対し図３に示すように直径2.1mmのドリル（Coated cemenred carbide）を用いてその外表面から内表面に至るまでの穴加工（深さ11.25mm）を施し（ドリルの送り速度：0.02mm/rev、ドリルの回転数：2000〜12000min−１、潤滑油供給）、穴加工部分における圧縮残留応力の付与状況について調査した。
その結果を図４に示す。なお、圧縮残留応力はPSPC微小部Ｘ線応力測定装置を用いて、穴加工部の加工方向に沿って測定した硬化部（浸炭部）については穴の入り口から深さ約0.5mmの位置Ａ（図３参照）で測定し、母材部については穴の入り口から深さ約６mmの位置Ｂ（図３参照）で測定した。
図４より明らかなように、本発明に従う加工方法においては、ショットピーニングを施さなくとも圧縮残留応力が付与されており、疲労特性が改善される傾向にあることが確認された。
図５は穴加工部分における硬さ（加工硬化量）について調べた結果を示した図である。ここに、硬さの測定はマイクロビッカース硬さ測定法（測定荷重100ｇ）により行ない、浸炭部及び母材部の穴加工による加工硬化量については穴の入り口からそれぞれ深さ約0.6mm及び約６mmの位置で、穴内面から外側に約0.02mmの位置を加工硬化部、穴内面から外側に約１mmの位置を熱処理による硬化部として、これらを比較することで求めた。
図５より明らかなように、本発明に従う加工法では、浸炭部、母材部ともに穴加工による加工硬化が見られ、とくにドリルの回転速度が速い場合には浸炭部、母材部ともに加工硬化量が大きくなっていることが確認され、ドリルの回転速度の増加に伴う加工硬化量の変化には差があり、浸炭部と比較して母材部では回転速度の増加による硬度の上昇が大きく、回転速度が12000min−１では硬さが穴加工前の1.5倍程度まで上昇した。回転速度の増加に伴う加工硬化量の上昇については、加工による孔内面層のひずみの増大により転移密度の上昇、あるいは高い切削熱の発生と切削油剤の影響による急熱、急冷が結晶粒の微細化につながったものと考えられる（ただし、回転速度の増加に切削温度の上昇が伴う場合には残留応力が圧縮から引張りへと移行する）。
図６は穴の内面（浸炭部及び母材部）の算術平均粗さについて調べた結果である。本発明に従う方法で加工された金属部材は、穴の内面の粗さは浸炭部で0.05〜0.15μm、母材部で0.05μm程度になっていることが明らかとなった。
上記の実施例では、金属部材としてクロムモリブデン鋼を用いた場合について説明したが、熱処理によってその少なくとも表層を硬化させ得る金属部材であれば適用可能であり、上記の金属部材にのみに限定はされない。
余計な工程を経ることなしに穴加工を施した部分に圧縮残留応力を付与することが可能となり、加工工程の簡素化、製造コストの軽減を図ることが可能な加工方法が提供できる。
Ａ 硬化部（浸炭部）の測定位置
Ｂ 母材部の測定位置
Ｂ 母材部の測定位置
Claims (2)
- 旋削工程にて金属部材に対して荒・中加工を施し、次いで、熱処理工程にて該金属部材の少なくとも表層を硬化させ、しかる後、穴加工及び研削工程にて所望の外観形状に仕上げるに当たり、
前記熱処理工程の後、1500〜10000min-1の回転数に調整したドリルにより穴加工を施すことを特徴とする金属部材の加工方法。 - 前記熱処理が、浸炭又は高周波によるものである請求項１記載の加工方法。
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