号数 ばね論文集４７号（２００２年）
ページ数 pp.43-61
種類 共同研究報告
論文名 ショットピーニングの最適化に関する研究委員会報告
Title Report of Research Committee for Optimizing a Shot-Peening Process
著者 ショットピーニングの最適化に関する研究委員会
Author Research Committee for Optimizing a Shot-Peening Process
抄録 　ばねの品質向上を図るため，ショットピーニング処理を施すことが多い．ばね技術研究会でも，1980年代前半に小物ばねを対象にSPに関する共同研究を行い，鋼種別，線径別に対応する適正加工条件の概略を明らかにしている．
しかし近年，ばね材料の高強度化に加え，新しいショット材料や多段SPなどSP技術は多様化している．このような状況のもとに，新技術調査委員会から，新たなSPに関する共同研究の必要性が指摘された．そこで，高強度ばねに対するショットピーニングはいかにあるべきかの協同研究が求められた．また，高強度ばねのショットピーニングの管理法について再考すべきとの指摘もあった．このような状況のもとに，新たにショットピーニングの最適化に関する研究委員会が1996年９月に発足した．共同研究では，ショットピーニング加工条件として実用上最も広範な条件を選択し，シングルショットピーニング，ダブルショットピーニング，ストレスショットピーニングそしてばね硬さの疲労強度向上効果を調べた．その効果を疲労強度へおよぼす表面圧縮残留応力および表面粗さに注目して考察した．さらに，ショットピーニングの管理のために，高硬度アルメンストリップの有用性およびX線応力測定におけるX線照射野と線径と関係および残留応力補正法について研究した．
　本共同研究で得られた結果は以下のようにまとめられた．
(1)高強度ばね材のショットピーニング条件を管理するアルメンストリップとして板厚1.3mm，硬さ58HRC の高硬度アルメンストリップを提案した．
(2)高強度材に最適なショットピーニング条件の検討
a.　ばねの疲労試験，ねじり疲労試験，片持ち式回転曲げ疲労試験および中村式回転曲げ疲労試験による疲労強度順位に差はほぼないと判断される．
b.　シングルショットピーニングでは，表面残留応力値が高く，表面粗さが小さいSP条件が疲労強度が高い．また，残留応力深さの疲労強度向上効果は小さい．
c.　ダブルショットピーニングでは，高硬度・微細ショット粒を用いたダブルショットピーニングが最も疲労強度向上効果が大きい．
d.　ストレスショットピーニングに関する今回の実験では，高硬度・微細ショット粒を用いたダブルショットピーニングと比較して疲労強度は向上しなかった．
e.　コイリング後の焼入・焼戻により硬さを高め，高硬度・微細ショット粒を用いたダブルショットピーニングを行ったばねは最も高い疲労強度を示した．
(3)ショットピーニング材の疲労現象の解明
a.　疲労強度向上に最も寄与するのは圧縮残留応力であり，かつ表面の値である．この効果はばね硬さを高めることで一層顕著になる．
b.　表面破壊の場合，コイルばねではStage I　き裂が発生・伝ぱした後，Stage II　き裂の伝ぱへの引き継がれる．Stage I　き裂の大きさはほぼクロッシングポイントの深さに対応している．
(4)ばねの残留応力測定方法のガイド作成とショットピーニングによる残留応力補正に関するシミュレーション
a.　コイルばねのような曲率を有する線材にX線応力測定を用いる場合には，X線照射野の大きさは線径の1/3〜1/2以下とする必要がある．
b.　有限要素法によって残留応力補正をシュミレーションすることは可能である．また，現在，一般に用いられているハインの補正式はショットピーニングの残留応力補正法として実用性がある．
Abstract  In the first half of 1980s, The Japan Society for Spring Research held the joint committee which researches shot-peening condition for small springs. This committee proposed optimum shot-peening conditions for steel grades and wire diameters. Resent years, strength of spring material has been targeted to be higher and higher levels. Shot-peening technology has been improving , and new shot-media and multi-shot-peening technology have become to be employed. Therefore, the joint research was needed for high strength spring.
Under these circumstances, a research committee for optimizing a shot-peening process was established in September 1996. In this committee, the experimental shot-peening conditions were widely chosen in the possible range of manufacturing parameter. Single shot-peening, double shot-peening, stress shot-peening and hardness of spring were studied. The effect of each shot-peening process on fatigue strength were considered in relation to surface compression stress and surface roughness. For control of shot-peening condition, effectiveness of a harder Almen strip, relation between X-ray radiation field size and wire diameter, and the correction method of residual stress were studied.
The results are summarized as follows.
(1) For high strength spring, a harder Almen Strip with hardness of 58HRC, thickness 1.3mm, is proposed.
(2) Research on suitable shot-peening conditions for high strength spring :
a. The difference of torsional and rotary fatigue test is negligible.
b. In the case of single shot-peening, higher surface residual stress and smaller surface roughness induced high strength of fatigue
c. In the case of double shot-peening, harder and finer shot indicated higher strength of fatigue.
d. Stress shot-peening could not be better than double shot-peenig with higher and finer shot.
e. Double shot-peening with higher and finer shot indicated the best fatigue strength.
(3) Analysis of fatigue phenomenon for a shot-peened spring
a. Compression residual stress on surface is the most effective for improving fatigue strength.
b. Stage I type crack first initiates and propagates and then stage I crack transfers into stage II type crack. Magnitude of stage I crack is almost equal to depth of compression residual stress.
(4) X-ray stress measurement :
a. In the case of coil spring, X-ray radiation field size should be smaller than 1/2〜1/3 of wire diameter.
b. By using FEM method, Heyn's correction equation is practically useful for correction of residual stress.
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Key Words Spring, Spring steel, Shot-peening, Fatigue strength, Residual stress, Roughness, Hardness, Archeight, Almen strip, X-ray stress mesurement