ボルト刻印工具の強化方法及びボルト刻印工具
【課題】ボルトの頭部にマークを刻印するためのボルト刻印工具の寿命を延ばす。
【解決手段】高圧水を噴射する円筒状の高圧ノズル部２１と、該高圧ノズル部２１の周囲に同心状に配設され、低圧水を噴射する円筒状の低圧ノズル部２２とを有し、キャビテーション噴流を噴射する噴射ノズル２を準備する。噴射ノズル２の軸心とボルト刻印工具９の凹部の中心とを合致させて噴射ノズル２からキャビテーション噴流をボルト刻印工具９に向けて噴射し、キャビテーション噴流の低圧水側をボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付ける。これにより、ボルト刻印工具９の刻印部に圧縮残留応力を付与する。
【解決手段】高圧水を噴射する円筒状の高圧ノズル部２１と、該高圧ノズル部２１の周囲に同心状に配設され、低圧水を噴射する円筒状の低圧ノズル部２２とを有し、キャビテーション噴流を噴射する噴射ノズル２を準備する。噴射ノズル２の軸心とボルト刻印工具９の凹部の中心とを合致させて噴射ノズル２からキャビテーション噴流をボルト刻印工具９に向けて噴射し、キャビテーション噴流の低圧水側をボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付ける。これにより、ボルト刻印工具９の刻印部に圧縮残留応力を付与する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト頭部に文字や数字などのマークを刻印するボルト刻印工具の強化方法及びその強化方法により強化されたボルト刻印工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷間圧造によりボルトを製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。冷間圧造によりボルトを製造する方法の一例を紹介すると、六角ボルトを製造する方法は、例えば、図８に示すように、固定されたダイスＤと、該ダイスＤに対して交互に進退移動する第１パンチＰ１及び第２パンチＰ２とを備えた二段式圧造成形機を用いて、棒状のボルト材料Ｍを第１パンチＰ１によりダイスＤに打ち込むことにより、ボルト材料Ｍの一端部を予備成形し（同図（ａ））、次いで第２パンチＰ２にてボルト材料Ｍを叩くことにより、該ボルト材料Ｍに円盤状の頭部Ｈを形成する（同図（ｂ））。その後、ボルト材料Ｍの頭部ＨをトリミングダイスＴにより六角形に打ち抜き（同図（ｃ））、転造盤を用いて軸部Ａにネジ溝を刻設して六角ボルトを成形する。
【０００３】
ところで、所定の強度区分の六角ボルトや六角穴付きボルト等には、強度区分を頭部に刻印しなければならない旨がＪＩＳ Ｂ１０５１に規定されている。また、ＪＩＳ Ｂ１０５１には、原則として強度区分を刻印したボルトに対し製造業者の識別記号を刻印表示する旨も規定されている。そのため、こうしたボルトを製造する際には、強度区分を示す数字や製造業者の識別記号を示す文字等のマークが刻まれた刻印部が底面に設けられた凹部を有するボルト刻印工具を第２パンチとし、該ボルト刻印工具でボルト材料を叩くことにより、円盤状の頭部を形成すると共に、該頭部の頂面にマークを刻印するようにしている。
【０００４】
一方で、従来より、キャビテーションにより対象物に圧縮残留応力を付与することができる技術が知られている（例えば特許文献２参照）。この技術は、キャビテーションショットレスピーニング（キャビテーションピーニング）と称されている。尚、キャビテーションとは、液体の流れの中で圧力が飽和蒸気圧よりも低くなったときに、液体中の微小な気泡や溶け込んでいる気体（キャビテーション核という）が成長してキャビテーション気泡となり、該キャビテーション気泡が崩壊する現象をいう。キャビテーションピーニングでは、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力により対象物に圧縮残留応力を付与することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２１１５４０号公報
【特許文献２】特開２００６−２５５８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記のように冷間圧造によりボルトを製造する場合には、ボルト刻印工具でボルト材料に頭部を形成したときに、頭部の形状に沿った金属組織の流れ（メタルフローという）が形成され、その結果、ボルト材料の頭部外周側の強度が中心部よりも高くなる。そのため、ボルト材料の頭部外周側に対応するボルト刻印工具の凹部外周側が中心部よりも早期に摩耗してしまう。ボルト刻印工具の凹部外周側が摩耗すると、ボルト頭部外周側に刻印されるマークが不明瞭となったり、摩耗が著しい場合には、ボルト頭部外周側にマークが刻印されなくなったりする。このように、ボルト刻印工具の凹部外周側が摩耗して、ボルト刻印工具の寿命が短くなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビテーションピーニングを利用して、ボルト刻印工具の寿命を延ばすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本願発明者らは、円筒状の高圧ノズル部と、該高圧ノズル部の周囲に同心状に配設された円筒状の低圧ノズル部とを有する噴射ノズルを準備し、高圧ノズル部から噴射される高圧流体と、低圧ノズル部から噴射される低圧流体とによりキャビテーションを発生させることにした。
【０００９】
具体的には、本発明は、ボルト刻印工具の強化方法を対象とし、周方向にマークが刻まれた刻印部が底面外周側に設けられた平面視円形状の凹部を有し、冷間圧造により前記凹部を棒状のボルト材料に叩きつけて該ボルト材料に頭部を形成すると共に該頭部の外周側に前記マークを刻印するボルト刻印工具と、高圧流体を噴射する円筒状の高圧ノズル部と、該高圧ノズル部の周囲に同心状に配設され、低圧流体を噴射する円筒状の低圧ノズル部とを有し、前記高圧流体と低圧流体とによりキャビテーションが発生するキャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルとを準備し、前記噴射ノズルの軸心と前記凹部の中心とを合致させて前記噴射ノズルから前記キャビテーション噴流を前記ボルト刻印工具に向けて噴射し、該キャビテーション噴流の低圧流体側を前記凹部外周側に吹き付け、キャビテーションにより前記刻印部に圧縮残留応力を付与することを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、高圧ノズル部から噴射された高圧流体と低圧ノズル部から噴射された低圧流体との圧力差により、キャビテーション気泡が成長し、噴射ノズルから噴射されたキャビテーション噴流の低圧流体側でキャビテーション気泡が崩壊する。このキャビテーション噴流の低圧流体側がボルト刻印工具の凹部外周側に吹き付けられるため、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力によりボルト刻印工具の刻印部に圧縮残留応力が付与される。その結果、ボルト刻印工具の刻印部が摩耗し難くなり、ボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる。
【００１１】
また、圧縮残留応力を付与する技術としてキャビテーションピーニングを採用しているため、ショットピーニング処理を採用した場合に比べて、ボルト刻印工具の表面粗さを劣化させることなく刻印部に圧縮残留応力を付与することができる。
【００１２】
さらに、噴射ノズルの軸心とボルト刻印工具の凹部中心とを合致させて、キャビテーション噴流の低圧流体側がボルト刻印工具の凹部外周側に吹き付けられるようにボルト刻印工具の凹部と噴射ノズルとの距離等を調整する操作を行うだけで、極めて容易にボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
本発明のボルト刻印工具の強化方法は、前記刻印部の最外周部は、前記ボルト刻印工具の軸心を中心とする所定の円周上に位置しており、前記所定の円の直径に対する前記低圧ノズル部の内径の比率が百分率で６０〜１５０％であり、且つ、前記低圧ノズル部の内径に対する前記噴射ノズルと前記ボルト刻印工具の凹部底面との距離の比率が百分率で８０〜１２０％であることが好ましい。
【００１４】
その理由は、低圧ノズル部の内径が前記所定の円の直径の６０％よりも小さかったり、１５０％よりも大きかったりすると、噴射ノズルから噴射されるキャビテーション噴流がボルト刻印工具の刻印部に吹き付けられにくく、該刻印部に対し効果的に圧縮残留応力を付与することができず、噴射ノズルとボルト刻印工具の凹部底面との距離が低圧ノズル部の内径の８０％よりも小さいと、ボルト刻印工具の表面粗さが大きくなって疲労強度が劣化し、１２０％よりも大きいと、刻印部に対し効果的に圧縮残留応力を付与することができないからである。
【００１５】
また、本発明のボルト刻印工具の強化方法は、前記高圧流体に気泡を供給し、該気泡が供給された高圧流体を前記高圧ノズル部から噴射してもよい。
【００１６】
こうすることで、高圧流体に供給された気泡がキャビテーション核となって、キャビテーションを多発させることができる。その結果、ボルト刻印工具の刻印部に大きい圧縮残留応力を付与することができ、ボルト刻印工具の寿命をより延ばすことができる。
【００１７】
本発明は、前記ボルト刻印工具の強化方法により強化されたボルト刻印工具も対象とする。
【００１８】
こうすることで、刻印部が摩耗し難く、寿命の長いボルト刻印工具を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、噴射ノズルを用いてボルト刻印工具の刻印部に圧縮残留応力を付与するようにしたので、極めて容易にボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】キャビテーションピーニング装置の概略構成図である。
【図２】噴射ノズルの端面を示す図である。
【図３】ボルト頭部の平面図である。
【図４】ボルト刻印工具の斜視図である。
【図５】ボルト刻印工具の平面図である。
【図６】キャビテーション噴流を噴射した後の試験片を示す図である。
【図７】残留応力の測定結果を示す図である。
【図８】冷間圧造により六角ボルトを製造する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
【００２２】
図１は、本発明のボルト刻印工具の強化方法に用いられるキャビテーションピーニング装置１の概略構成図である。このキャビテーションピーニング装置１は、キャビテーションピーニングによりボルト刻印工具９に圧縮残留応力を付与する装置である。
【００２３】
−キャビテーションピーニング装置の構成−
キャビテーションピーニング装置１は、図１，２に示すように、高圧水を噴射する円筒状の高圧ノズル部２１と、該高圧ノズル部２１の周囲に同心状に配設され、低圧水を噴射する円筒状の低圧ノズル部２２とを有する二重管構造の噴射ノズル２と、高圧ノズル部２１に高圧水を供給する高圧ポンプ３と、低圧ノズル部２２に低圧水を供給する低圧ポンプ４と、ボルト刻印工具９を載置するテーブル５と、噴射ノズル２をテーブル５に載置されたボルト刻印工具９に近接、離間させるノズル駆動機構６と、テーブル５を噴射ノズル２の径方向（図１の左右方向及び紙面に直交する方向）に移動させるテーブル駆動機構７と、高圧ポンプ３、低圧ポンプ４、ノズル駆動機構６及び、テーブル駆動機構７を制御する制御部８とを備えている。
【００２４】
噴射ノズル２は、キャビテーション噴流を噴射するノズルである。キャビテーション噴流では、高圧ノズル部２１から噴射された高圧水と低圧ノズル部２２から噴射された低圧水とによりキャビテーションが発生する。
【００２５】
ノズル駆動機構６及びテーブル駆動機構７は、例えばＣＮＣ制御により制御されるアクチュエータにより構成される。
【００２６】
ボルト刻印工具９は、冷間圧造により棒状のボルト材料Ｍに頭部Ｈを形成すると共に、該頭部Ｈの頂面外周側に図３に示すようなＪＩＳ Ｂ １０５１で規定された強度区分Ｈ１や製造業者の識別記号Ｈ２のマークを刻印するための工具である。尚、マークは、これに限られず、例えばボルトの材質を示す文字を含んでいてもよい。このボルト刻印工具９は、例えば、ＳＫＨ５１、ＳＫＨ５５（ＪＩＳ規格）やＹＸＲ３、ＹＸＲ７（日立金属製）等の高速度工具鋼や超硬合金から成る。
【００２７】
また、ボルト刻印工具９は、図４，５に示すように、略円柱形状を有し、その両端面には、上記ボルト材料Ｍに円盤状の頭部Ｈを形成すべく該ボルト材料Ｍに叩きつけられる平面視円形状の凹部９１が形成されている。
【００２８】
各凹部９１の底面９１ａ外周側には、周方向に上記マークが刻まれた刻印部９１ｂが設けられている。
【００２９】
刻印部９１ｂの最外周部は、ボルト刻印工具９の軸心を中心とする所定の円周上に位置している。
【００３０】
以上のように構成されたキャビテーションピーニング装置１においては、前記所定の円の直径Ｙに対する低圧ノズル部２２の内径Ｘ３の比率が百分率で６０〜１５０％であり、且つ、低圧ノズル部２２の内径Ｘ３に対する噴射ノズル２とボルト刻印工具９の凹部９１の底面９１ａとの距離Ｌ（以下、ノズル距離ともいう）の比率が百分率で８０〜１２０％であることが好ましい。
【００３１】
その理由は、低圧ノズル部２２の内径Ｘ３が前記所定の円の直径Ｙの６０％よりも小さかったり、１５０％よりも大きかったりすると、以下で述べるようにしてボルト刻印工具９を強化する際に、噴射ノズル２から噴射されるキャビテーション噴流が刻印部９１ｂに吹き付けられにくく、該刻印部９１ｂに対し効果的に圧縮残留応力を付与することができず、ノズル距離Ｌが低圧ノズル部の内径Ｘ３の８０％よりも小さいと、ボルト刻印工具９の表面粗さが大きくなり、疲労強度が劣化し、１２０％よりも大きいと、刻印部９１ｂに対し効果的に圧縮残留応力を付与することができないからである。
【００３２】
−ボルト刻印工具の強化方法−
次にこのキャビテーションピーニング装置１を用いてボルト刻印工具９を強化する方法について説明する。
【００３３】
まず、ボルト刻印工具９をテーブル５に載置し、テーブル駆動機構７によりテーブル５を移動させて、噴射ノズル２の軸心とボルト刻印工具９の凹部９１の中心とを合致させる。
【００３４】
次いで、高圧ポンプ３及び低圧ポンプ４を駆動させて、噴射ノズル２からキャビテーション噴流をボルト刻印工具９に向けて噴射させる。
【００３５】
そうして、噴射ノズル２から噴射されたキャビテーション噴流の低圧水側がボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付けられるように、ノズル駆動機構６により噴射ノズル２を移動させてノズル距離Ｌを調整する。
【００３６】
−実施形態の作用効果−
本実施形態によれば、高圧ノズル部２１から噴射された高圧水と低圧ノズル部２２から噴射された低圧水との圧力差により、高圧水中のキャビテーション核が成長してキャビテーション気泡となり、キャビテーション噴流の低圧水側でキャビテーション気泡が崩壊する。そして、このキャビテーション噴流の低圧水側がボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付けられるため、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力によりボルト刻印工具９の凹部９１外周側に圧縮残留応力が付与される。これにより、キャビテーションピーニング処理を施さない場合には、摩耗し易いボルト刻印工具９の凹部９１外周側が摩耗し難くなる。その結果、凹部９１外周側に設けられた刻印部９１ｂが摩耗し難くなり、ボルト刻印工具９の寿命を延ばすことができる。
【００３７】
また、ボルト刻印工具９の強化方法としてキャビテーションピーニングを採用しているため、ショットピーニング処理を採用した場合に比べて、ボルト刻印工具９の表面粗さを劣化させることなく刻印部９１ｂに圧縮残留応力を付与することができる。
【００３８】
さらに、噴射ノズル２の軸心とボルト刻印工具９の凹部９１中心とを合致させて、キャビテーション噴流の低圧水側がボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付けられるようにノズル距離Ｌを調整する操作を行うだけで、極めて容易にボルト刻印工具９の寿命を延ばすことができる。
【００３９】
−その他の実施形態−
キャビテーションピーニング装置１は、図１に仮想線で示すように、高圧ノズル部２１の高圧水に気泡を供給する気泡発生装置１０を備えていてもよい。
【００４０】
こうすることで、高圧水に供給された気泡がキャビテーション核となって、キャビテーションを多発させることができる。これにより、ボルト刻印工具９の刻印部９１ｂに大きい圧縮残留応力を付与することができ、その結果、ボルト刻印工具９の寿命をより延ばすことができる。
【００４１】
尚、このキャビテーションピーニング装置１では、大径のボルト刻印工具９を強化する場合には、大径の噴射ノズル２が必要になり、大掛かりなものとなってしまう。そこで、噴射ノズル２を周方向に移動可能に構成してもよい。こうすることで、噴射ノズル２を周方向に移動させながら、ボルト刻印工具９の凹部９１外周側のみにキャビテーション噴流を噴射することができるから、小径の噴射ノズル２を用いて大径のボルト刻印工具９を強化することができる。また、キャビテーション噴流をボルト刻印工具９の凹部９１外周側全体に吹き付ける必要はなく、刻印部９１ｂにのみに吹き付けるようにしてもよい。
【実施例】
【００４２】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４３】
−噴射ノズル−
本実施例では、内径Ｘ１が１ｍｍ、外径Ｘ２が１３ｍｍの高圧ノズル部２１と、内径Ｘ３が２０ｍｍ、外径Ｘ４が２６ｍｍの低圧ノズル部２２とを備えた噴射ノズル２を使用した。
【００４４】
−キャビテーション噴流の噴射条件−
キャビテーション噴流の噴射条件は、高圧水圧力を２０ＭＰａ、低圧水圧力を０．０４ＭＰａとした。
【００４５】
−気泡発生装置−
本実施例では、気泡発生装置１０としてナノバブル生成装置「バヴィタス」（協和機設製）を採用した。この気泡発生装置１０を用いて、高圧ノズル部２１の高圧水に平均径０．６６５μｍの気泡を１０００ｃｍ３当たり約５１．８万個供給した。
《キャビテーションピーニングによる残留応力の改善効果の確認試験》
キャビテーションピーニングによる残留応力の改善効果を確認するために、強度区分１０．９、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５製で且つ、ねじの呼びＭ３０の六角穴付きボルトを軸方向にスライスして図６に示すような試験片ＴＰを作製し、上記噴射条件で噴射ノズル２から試験片ＴＰに向けてキャビテーション噴流を噴射した。その結果、試験片ＴＰには、キャビテーション噴流の高圧水側に対応する中心領域１１１と、該中心領域１１１の周囲に形成され、キャビテーション噴流の低圧水側に対応する環状の外周領域１１２とから成る壊食痕１１０が認められた。
【００４６】
−残留応力の測定−
キャビテーション噴流の噴射時間を５，１０，３０，６０，１２０，１８０秒と変化させて、噴射時間毎に残留応力を微小部Ｘ線応力測定装置「Ａｕｔｏ Ｍａｔｅ」（リガク製）を用いて測定した。残留応力の測定位置は、壊食痕１１０の中心部１１１と、外周領域１１２の内周縁部１１２ａと、外周領域１１２の略中央部１１２ｂとした。
【００４７】
また、気泡発生装置１０を用いて高圧ノズル部２１の高圧水に気泡を供給した場合の残留応力も測定した。この場合には、キャビテーション噴流の噴射時間を１２０，１８０秒とし、測定位置を外周領域１１２の略中央部１１２ｂとした。
【００４８】
残留応力の測定結果を図７に示す。図中、「○」「△」「□」は気泡発生装置１０を用いていない場合の測定結果であり、「○」は中心部１１１の測定結果、「△」は外周領域１１２の内周縁部１１２ａの測定結果、「□」は外周領域１１２の略中央部１１２ｂの測定結果をそれぞれ示している。また、図中、「×」は気泡発生装置１０を用いた場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂの測定結果を示している。同図において、噴射時間０秒から残留応力が低下しているほど、大きい圧縮残留応力が試験片ＴＰに付与されていることになる。尚、噴射時間０秒で残留応力が０ＭＰａとなっていない（６５４ＭＰａとなっている）が、これは試験片ＴＰを作製する過程で発生した残留応力が原因である。
【００４９】
この測定結果によると、残留応力は、壊食痕１１０の中心部１１１では噴射時間５秒で６５０ＭＰａ、１０秒で６０３ＭＰａ、３０秒で５４４ＭＰａ、６０秒で６０３ＭＰａ、１２０秒で３８０ＭＰａ、１８０秒で２０８ＭＰａ、外周領域１１２の内周縁部１１２ａでは噴射時間５秒で５２１ＭＰａ、１０秒で２３８ＭＰａ、３０秒で１７７ＭＰａ、６０秒で−１３８ＭＰａ、１２０秒で−２５８ＭＰａ、１８０秒で−２９８ＭＰａ、気泡発生装置１０を用いていない場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂでは噴射時間５秒で２６８ＭＰａ、１０秒で７４ＭＰａ、３０秒で−１４６ＭＰａ、６０秒で−３１２ＭＰａ、１２０秒で−３８８ＭＰａ、１８０秒で−４１０ＭＰａであり、壊食痕１１０の中心部１１１よりも外周領域１１２の内周縁部１１２ａ及び略中央部１１２ｂのほうが残留応力の低下が大きく、壊食痕１１０の中心部１１１よりも外周領域１１２のほうが大きい圧縮残留応力が付与されていることが分かる。このことから、噴射対象物（ここでは、試験片ＴＰ）におけるキャビテーション噴流の低圧水側が吹き付けられた箇所のほうが高圧水側が吹き付けられた箇所よりも大きい圧縮残留応力が付与されることが分かった。これは、キャビテーション噴流の低圧水側でキャビテーション気泡が崩壊するためである。
【００５０】
また、壊食痕１１０の外周領域１１２の内周縁部１１２ａよりも略中央部１１２ｂのほうが残留応力の低下が大きく、壊食痕１１０の外周領域１１２の内周縁部１１２ａよりも略中央部１１２ｂのほうが大きい圧縮残留応力が付与されていることが分かる。このことから、壊食痕１１０の外周領域１１２の周縁部よりも中央部付近に大きい圧縮残留応力が付与されることが分かった。
【００５１】
さらに、この測定結果によると、残留応力は、気泡発生装置１０を用いていない場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂでは噴射時間１２０秒で−３８８ＭＰａ、１８０秒で−４１０ＭＰａ、気泡発生装置１０を用いた場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂでは噴射時間１２０秒で−５００ＭＰａ、１８０秒で−６００ＭＰａであり、気泡発生装置１０を用いていない場合よりも気泡発生装置１０を用いた場合のほうが残留応力の低下が大きく、気泡発生装置１０により高圧ノズル部２１の高圧水に気泡を供給することで、噴射対象物により大きい圧縮残留応力を付与することができることが分かった。
《ボルト刻印工具の強化》
以上のことを踏まえてボルト刻印工具９を強化すべく、ノズル距離Ｌを調整して噴射ノズル２から噴射されたキャビテーション噴流の低圧流体側をボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付け、刻印部９１ｂに圧縮残留応力を付与した。実施例で使用したボルト刻印工具９及びノズル距離Ｌを以下に示す。
【００５２】
−ボルト刻印工具−
本実施例では、強度区分１０．９（ＪＩＳ Ｂ１０５１）、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ Ｇ４０５３）製で且つ、ねじの呼びＭ１２の六角ボルトの頭部Ｈを形成すると共に、該頭部Ｈの頂面にマークを刻印するためのボルト刻印工具９を使用した。このボルト刻印工具９の上記所定の円の直径Ｙは、１５ｍｍであった。即ち、上記所定の円の直径Ｙに対する低圧ノズル部２２の内径Ｘ３の比率は、百分率で約１３３％であった。
【００５３】
−ノズル距離−
ノズル距離Ｌは、２０ｍｍとした。即ち、低圧ノズル部２２の内径Ｘ３に対するノズル距離Ｌの比率は、百分率で１００％であった。
《ボルト刻印工具の寿命の評価試験》
上記のようにして強化したボルト刻印工具９の寿命を評価すべく、以下のボルト刻印工具９を作製した。
【００５４】
（発明例）
キャビテーション噴流を１０秒間吹き付けたボルト刻印工具９を発明例１とし、キャビテーション噴流を３０秒間吹き付けたボルト刻印工具９を発明例２とし、キャビテーション噴流を１２０秒間吹き付けたボルト刻印工具９を発明例３とした。尚、発明例１〜３の何れのボルト刻印工具９を作製する際にも、気泡発生装置１０を使用していない。
【００５５】
（比較例）
キャビテーション噴流を吹き付けていないボルト刻印工具９を比較例とした。
【００５６】
−ボルト刻印工具の寿命の評価−
上記発明例１〜３及び比較例のボルト刻印工具９の凹部９１を複数のボルト材料Ｍに順次叩きつけて上記Ｍ１２の六角ボルトの頭部Ｈを形成し、ボルト刻印工具９の凹部９１外周側が０．１ｍｍ摩耗したときをボルト刻印工具９の寿命とした。
【００５７】
試験結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１に示すように、寿命に達するまでに叩いたボルト材料Ｍの本数は、キャビテーション噴流を吹き付けていない比較例では８万本であるのに対し、キャビテーション噴流を吹き付けた発明例１〜３では約３０万〜４０万本であり、本発明に係るボルト刻印工具９の寿命が従来のボルト刻印工具９の寿命よりも約４〜５倍延びていることが分かる。
【００６０】
以上の評価により、本発明の有効性が実証された。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、ボルトの頭部にマークを刻印するためのボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる点で有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１ キャビテーションピーニング装置
２ 噴射ノズル
２１ 高圧ノズル部
２２ 低圧ノズル部
９ ボルト刻印工具
９１ 凹部
９１ａ 底面
９１ｂ 刻印部
１０ 気泡発生装置
Ｈ （ボルト）頭部
Ｌ ノズル距離
Ｍ ボルト材料
Ｘ３ （低圧ノズル部の）内径
Ｙ （所定の円の）直径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト頭部に文字や数字などのマークを刻印するボルト刻印工具の強化方法及びその強化方法により強化されたボルト刻印工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷間圧造によりボルトを製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。冷間圧造によりボルトを製造する方法の一例を紹介すると、六角ボルトを製造する方法は、例えば、図８に示すように、固定されたダイスＤと、該ダイスＤに対して交互に進退移動する第１パンチＰ１及び第２パンチＰ２とを備えた二段式圧造成形機を用いて、棒状のボルト材料Ｍを第１パンチＰ１によりダイスＤに打ち込むことにより、ボルト材料Ｍの一端部を予備成形し（同図（ａ））、次いで第２パンチＰ２にてボルト材料Ｍを叩くことにより、該ボルト材料Ｍに円盤状の頭部Ｈを形成する（同図（ｂ））。その後、ボルト材料Ｍの頭部ＨをトリミングダイスＴにより六角形に打ち抜き（同図（ｃ））、転造盤を用いて軸部Ａにネジ溝を刻設して六角ボルトを成形する。
【０００３】
ところで、所定の強度区分の六角ボルトや六角穴付きボルト等には、強度区分を頭部に刻印しなければならない旨がＪＩＳ Ｂ１０５１に規定されている。また、ＪＩＳ Ｂ１０５１には、原則として強度区分を刻印したボルトに対し製造業者の識別記号を刻印表示する旨も規定されている。そのため、こうしたボルトを製造する際には、強度区分を示す数字や製造業者の識別記号を示す文字等のマークが刻まれた刻印部が底面に設けられた凹部を有するボルト刻印工具を第２パンチとし、該ボルト刻印工具でボルト材料を叩くことにより、円盤状の頭部を形成すると共に、該頭部の頂面にマークを刻印するようにしている。
【０００４】
一方で、従来より、キャビテーションにより対象物に圧縮残留応力を付与することができる技術が知られている（例えば特許文献２参照）。この技術は、キャビテーションショットレスピーニング（キャビテーションピーニング）と称されている。尚、キャビテーションとは、液体の流れの中で圧力が飽和蒸気圧よりも低くなったときに、液体中の微小な気泡や溶け込んでいる気体（キャビテーション核という）が成長してキャビテーション気泡となり、該キャビテーション気泡が崩壊する現象をいう。キャビテーションピーニングでは、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力により対象物に圧縮残留応力を付与することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２１１５４０号公報
【特許文献２】特開２００６−２５５８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記のように冷間圧造によりボルトを製造する場合には、ボルト刻印工具でボルト材料に頭部を形成したときに、頭部の形状に沿った金属組織の流れ（メタルフローという）が形成され、その結果、ボルト材料の頭部外周側の強度が中心部よりも高くなる。そのため、ボルト材料の頭部外周側に対応するボルト刻印工具の凹部外周側が中心部よりも早期に摩耗してしまう。ボルト刻印工具の凹部外周側が摩耗すると、ボルト頭部外周側に刻印されるマークが不明瞭となったり、摩耗が著しい場合には、ボルト頭部外周側にマークが刻印されなくなったりする。このように、ボルト刻印工具の凹部外周側が摩耗して、ボルト刻印工具の寿命が短くなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビテーションピーニングを利用して、ボルト刻印工具の寿命を延ばすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本願発明者らは、円筒状の高圧ノズル部と、該高圧ノズル部の周囲に同心状に配設された円筒状の低圧ノズル部とを有する噴射ノズルを準備し、高圧ノズル部から噴射される高圧流体と、低圧ノズル部から噴射される低圧流体とによりキャビテーションを発生させることにした。
【０００９】
具体的には、本発明は、ボルト刻印工具の強化方法を対象とし、周方向にマークが刻まれた刻印部が底面外周側に設けられた平面視円形状の凹部を有し、冷間圧造により前記凹部を棒状のボルト材料に叩きつけて該ボルト材料に頭部を形成すると共に該頭部の外周側に前記マークを刻印するボルト刻印工具と、高圧流体を噴射する円筒状の高圧ノズル部と、該高圧ノズル部の周囲に同心状に配設され、低圧流体を噴射する円筒状の低圧ノズル部とを有し、前記高圧流体と低圧流体とによりキャビテーションが発生するキャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルとを準備し、前記噴射ノズルの軸心と前記凹部の中心とを合致させて前記噴射ノズルから前記キャビテーション噴流を前記ボルト刻印工具に向けて噴射し、該キャビテーション噴流の低圧流体側を前記凹部外周側に吹き付け、キャビテーションにより前記刻印部に圧縮残留応力を付与することを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、高圧ノズル部から噴射された高圧流体と低圧ノズル部から噴射された低圧流体との圧力差により、キャビテーション気泡が成長し、噴射ノズルから噴射されたキャビテーション噴流の低圧流体側でキャビテーション気泡が崩壊する。このキャビテーション噴流の低圧流体側がボルト刻印工具の凹部外周側に吹き付けられるため、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力によりボルト刻印工具の刻印部に圧縮残留応力が付与される。その結果、ボルト刻印工具の刻印部が摩耗し難くなり、ボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる。
【００１１】
また、圧縮残留応力を付与する技術としてキャビテーションピーニングを採用しているため、ショットピーニング処理を採用した場合に比べて、ボルト刻印工具の表面粗さを劣化させることなく刻印部に圧縮残留応力を付与することができる。
【００１２】
さらに、噴射ノズルの軸心とボルト刻印工具の凹部中心とを合致させて、キャビテーション噴流の低圧流体側がボルト刻印工具の凹部外周側に吹き付けられるようにボルト刻印工具の凹部と噴射ノズルとの距離等を調整する操作を行うだけで、極めて容易にボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
本発明のボルト刻印工具の強化方法は、前記刻印部の最外周部は、前記ボルト刻印工具の軸心を中心とする所定の円周上に位置しており、前記所定の円の直径に対する前記低圧ノズル部の内径の比率が百分率で６０〜１５０％であり、且つ、前記低圧ノズル部の内径に対する前記噴射ノズルと前記ボルト刻印工具の凹部底面との距離の比率が百分率で８０〜１２０％であることが好ましい。
【００１４】
その理由は、低圧ノズル部の内径が前記所定の円の直径の６０％よりも小さかったり、１５０％よりも大きかったりすると、噴射ノズルから噴射されるキャビテーション噴流がボルト刻印工具の刻印部に吹き付けられにくく、該刻印部に対し効果的に圧縮残留応力を付与することができず、噴射ノズルとボルト刻印工具の凹部底面との距離が低圧ノズル部の内径の８０％よりも小さいと、ボルト刻印工具の表面粗さが大きくなって疲労強度が劣化し、１２０％よりも大きいと、刻印部に対し効果的に圧縮残留応力を付与することができないからである。
【００１５】
また、本発明のボルト刻印工具の強化方法は、前記高圧流体に気泡を供給し、該気泡が供給された高圧流体を前記高圧ノズル部から噴射してもよい。
【００１６】
こうすることで、高圧流体に供給された気泡がキャビテーション核となって、キャビテーションを多発させることができる。その結果、ボルト刻印工具の刻印部に大きい圧縮残留応力を付与することができ、ボルト刻印工具の寿命をより延ばすことができる。
【００１７】
本発明は、前記ボルト刻印工具の強化方法により強化されたボルト刻印工具も対象とする。
【００１８】
こうすることで、刻印部が摩耗し難く、寿命の長いボルト刻印工具を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、噴射ノズルを用いてボルト刻印工具の刻印部に圧縮残留応力を付与するようにしたので、極めて容易にボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】キャビテーションピーニング装置の概略構成図である。
【図２】噴射ノズルの端面を示す図である。
【図３】ボルト頭部の平面図である。
【図４】ボルト刻印工具の斜視図である。
【図５】ボルト刻印工具の平面図である。
【図６】キャビテーション噴流を噴射した後の試験片を示す図である。
【図７】残留応力の測定結果を示す図である。
【図８】冷間圧造により六角ボルトを製造する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
【００２２】
図１は、本発明のボルト刻印工具の強化方法に用いられるキャビテーションピーニング装置１の概略構成図である。このキャビテーションピーニング装置１は、キャビテーションピーニングによりボルト刻印工具９に圧縮残留応力を付与する装置である。
【００２３】
−キャビテーションピーニング装置の構成−
キャビテーションピーニング装置１は、図１，２に示すように、高圧水を噴射する円筒状の高圧ノズル部２１と、該高圧ノズル部２１の周囲に同心状に配設され、低圧水を噴射する円筒状の低圧ノズル部２２とを有する二重管構造の噴射ノズル２と、高圧ノズル部２１に高圧水を供給する高圧ポンプ３と、低圧ノズル部２２に低圧水を供給する低圧ポンプ４と、ボルト刻印工具９を載置するテーブル５と、噴射ノズル２をテーブル５に載置されたボルト刻印工具９に近接、離間させるノズル駆動機構６と、テーブル５を噴射ノズル２の径方向（図１の左右方向及び紙面に直交する方向）に移動させるテーブル駆動機構７と、高圧ポンプ３、低圧ポンプ４、ノズル駆動機構６及び、テーブル駆動機構７を制御する制御部８とを備えている。
【００２４】
噴射ノズル２は、キャビテーション噴流を噴射するノズルである。キャビテーション噴流では、高圧ノズル部２１から噴射された高圧水と低圧ノズル部２２から噴射された低圧水とによりキャビテーションが発生する。
【００２５】
ノズル駆動機構６及びテーブル駆動機構７は、例えばＣＮＣ制御により制御されるアクチュエータにより構成される。
【００２６】
ボルト刻印工具９は、冷間圧造により棒状のボルト材料Ｍに頭部Ｈを形成すると共に、該頭部Ｈの頂面外周側に図３に示すようなＪＩＳ Ｂ １０５１で規定された強度区分Ｈ１や製造業者の識別記号Ｈ２のマークを刻印するための工具である。尚、マークは、これに限られず、例えばボルトの材質を示す文字を含んでいてもよい。このボルト刻印工具９は、例えば、ＳＫＨ５１、ＳＫＨ５５（ＪＩＳ規格）やＹＸＲ３、ＹＸＲ７（日立金属製）等の高速度工具鋼や超硬合金から成る。
【００２７】
また、ボルト刻印工具９は、図４，５に示すように、略円柱形状を有し、その両端面には、上記ボルト材料Ｍに円盤状の頭部Ｈを形成すべく該ボルト材料Ｍに叩きつけられる平面視円形状の凹部９１が形成されている。
【００２８】
各凹部９１の底面９１ａ外周側には、周方向に上記マークが刻まれた刻印部９１ｂが設けられている。
【００２９】
刻印部９１ｂの最外周部は、ボルト刻印工具９の軸心を中心とする所定の円周上に位置している。
【００３０】
以上のように構成されたキャビテーションピーニング装置１においては、前記所定の円の直径Ｙに対する低圧ノズル部２２の内径Ｘ３の比率が百分率で６０〜１５０％であり、且つ、低圧ノズル部２２の内径Ｘ３に対する噴射ノズル２とボルト刻印工具９の凹部９１の底面９１ａとの距離Ｌ（以下、ノズル距離ともいう）の比率が百分率で８０〜１２０％であることが好ましい。
【００３１】
その理由は、低圧ノズル部２２の内径Ｘ３が前記所定の円の直径Ｙの６０％よりも小さかったり、１５０％よりも大きかったりすると、以下で述べるようにしてボルト刻印工具９を強化する際に、噴射ノズル２から噴射されるキャビテーション噴流が刻印部９１ｂに吹き付けられにくく、該刻印部９１ｂに対し効果的に圧縮残留応力を付与することができず、ノズル距離Ｌが低圧ノズル部の内径Ｘ３の８０％よりも小さいと、ボルト刻印工具９の表面粗さが大きくなり、疲労強度が劣化し、１２０％よりも大きいと、刻印部９１ｂに対し効果的に圧縮残留応力を付与することができないからである。
【００３２】
−ボルト刻印工具の強化方法−
次にこのキャビテーションピーニング装置１を用いてボルト刻印工具９を強化する方法について説明する。
【００３３】
まず、ボルト刻印工具９をテーブル５に載置し、テーブル駆動機構７によりテーブル５を移動させて、噴射ノズル２の軸心とボルト刻印工具９の凹部９１の中心とを合致させる。
【００３４】
次いで、高圧ポンプ３及び低圧ポンプ４を駆動させて、噴射ノズル２からキャビテーション噴流をボルト刻印工具９に向けて噴射させる。
【００３５】
そうして、噴射ノズル２から噴射されたキャビテーション噴流の低圧水側がボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付けられるように、ノズル駆動機構６により噴射ノズル２を移動させてノズル距離Ｌを調整する。
【００３６】
−実施形態の作用効果−
本実施形態によれば、高圧ノズル部２１から噴射された高圧水と低圧ノズル部２２から噴射された低圧水との圧力差により、高圧水中のキャビテーション核が成長してキャビテーション気泡となり、キャビテーション噴流の低圧水側でキャビテーション気泡が崩壊する。そして、このキャビテーション噴流の低圧水側がボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付けられるため、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力によりボルト刻印工具９の凹部９１外周側に圧縮残留応力が付与される。これにより、キャビテーションピーニング処理を施さない場合には、摩耗し易いボルト刻印工具９の凹部９１外周側が摩耗し難くなる。その結果、凹部９１外周側に設けられた刻印部９１ｂが摩耗し難くなり、ボルト刻印工具９の寿命を延ばすことができる。
【００３７】
また、ボルト刻印工具９の強化方法としてキャビテーションピーニングを採用しているため、ショットピーニング処理を採用した場合に比べて、ボルト刻印工具９の表面粗さを劣化させることなく刻印部９１ｂに圧縮残留応力を付与することができる。
【００３８】
さらに、噴射ノズル２の軸心とボルト刻印工具９の凹部９１中心とを合致させて、キャビテーション噴流の低圧水側がボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付けられるようにノズル距離Ｌを調整する操作を行うだけで、極めて容易にボルト刻印工具９の寿命を延ばすことができる。
【００３９】
−その他の実施形態−
キャビテーションピーニング装置１は、図１に仮想線で示すように、高圧ノズル部２１の高圧水に気泡を供給する気泡発生装置１０を備えていてもよい。
【００４０】
こうすることで、高圧水に供給された気泡がキャビテーション核となって、キャビテーションを多発させることができる。これにより、ボルト刻印工具９の刻印部９１ｂに大きい圧縮残留応力を付与することができ、その結果、ボルト刻印工具９の寿命をより延ばすことができる。
【００４１】
尚、このキャビテーションピーニング装置１では、大径のボルト刻印工具９を強化する場合には、大径の噴射ノズル２が必要になり、大掛かりなものとなってしまう。そこで、噴射ノズル２を周方向に移動可能に構成してもよい。こうすることで、噴射ノズル２を周方向に移動させながら、ボルト刻印工具９の凹部９１外周側のみにキャビテーション噴流を噴射することができるから、小径の噴射ノズル２を用いて大径のボルト刻印工具９を強化することができる。また、キャビテーション噴流をボルト刻印工具９の凹部９１外周側全体に吹き付ける必要はなく、刻印部９１ｂにのみに吹き付けるようにしてもよい。
【実施例】
【００４２】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４３】
−噴射ノズル−
本実施例では、内径Ｘ１が１ｍｍ、外径Ｘ２が１３ｍｍの高圧ノズル部２１と、内径Ｘ３が２０ｍｍ、外径Ｘ４が２６ｍｍの低圧ノズル部２２とを備えた噴射ノズル２を使用した。
【００４４】
−キャビテーション噴流の噴射条件−
キャビテーション噴流の噴射条件は、高圧水圧力を２０ＭＰａ、低圧水圧力を０．０４ＭＰａとした。
【００４５】
−気泡発生装置−
本実施例では、気泡発生装置１０としてナノバブル生成装置「バヴィタス」（協和機設製）を採用した。この気泡発生装置１０を用いて、高圧ノズル部２１の高圧水に平均径０．６６５μｍの気泡を１０００ｃｍ３当たり約５１．８万個供給した。
《キャビテーションピーニングによる残留応力の改善効果の確認試験》
キャビテーションピーニングによる残留応力の改善効果を確認するために、強度区分１０．９、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５製で且つ、ねじの呼びＭ３０の六角穴付きボルトを軸方向にスライスして図６に示すような試験片ＴＰを作製し、上記噴射条件で噴射ノズル２から試験片ＴＰに向けてキャビテーション噴流を噴射した。その結果、試験片ＴＰには、キャビテーション噴流の高圧水側に対応する中心領域１１１と、該中心領域１１１の周囲に形成され、キャビテーション噴流の低圧水側に対応する環状の外周領域１１２とから成る壊食痕１１０が認められた。
【００４６】
−残留応力の測定−
キャビテーション噴流の噴射時間を５，１０，３０，６０，１２０，１８０秒と変化させて、噴射時間毎に残留応力を微小部Ｘ線応力測定装置「Ａｕｔｏ Ｍａｔｅ」（リガク製）を用いて測定した。残留応力の測定位置は、壊食痕１１０の中心部１１１と、外周領域１１２の内周縁部１１２ａと、外周領域１１２の略中央部１１２ｂとした。
【００４７】
また、気泡発生装置１０を用いて高圧ノズル部２１の高圧水に気泡を供給した場合の残留応力も測定した。この場合には、キャビテーション噴流の噴射時間を１２０，１８０秒とし、測定位置を外周領域１１２の略中央部１１２ｂとした。
【００４８】
残留応力の測定結果を図７に示す。図中、「○」「△」「□」は気泡発生装置１０を用いていない場合の測定結果であり、「○」は中心部１１１の測定結果、「△」は外周領域１１２の内周縁部１１２ａの測定結果、「□」は外周領域１１２の略中央部１１２ｂの測定結果をそれぞれ示している。また、図中、「×」は気泡発生装置１０を用いた場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂの測定結果を示している。同図において、噴射時間０秒から残留応力が低下しているほど、大きい圧縮残留応力が試験片ＴＰに付与されていることになる。尚、噴射時間０秒で残留応力が０ＭＰａとなっていない（６５４ＭＰａとなっている）が、これは試験片ＴＰを作製する過程で発生した残留応力が原因である。
【００４９】
この測定結果によると、残留応力は、壊食痕１１０の中心部１１１では噴射時間５秒で６５０ＭＰａ、１０秒で６０３ＭＰａ、３０秒で５４４ＭＰａ、６０秒で６０３ＭＰａ、１２０秒で３８０ＭＰａ、１８０秒で２０８ＭＰａ、外周領域１１２の内周縁部１１２ａでは噴射時間５秒で５２１ＭＰａ、１０秒で２３８ＭＰａ、３０秒で１７７ＭＰａ、６０秒で−１３８ＭＰａ、１２０秒で−２５８ＭＰａ、１８０秒で−２９８ＭＰａ、気泡発生装置１０を用いていない場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂでは噴射時間５秒で２６８ＭＰａ、１０秒で７４ＭＰａ、３０秒で−１４６ＭＰａ、６０秒で−３１２ＭＰａ、１２０秒で−３８８ＭＰａ、１８０秒で−４１０ＭＰａであり、壊食痕１１０の中心部１１１よりも外周領域１１２の内周縁部１１２ａ及び略中央部１１２ｂのほうが残留応力の低下が大きく、壊食痕１１０の中心部１１１よりも外周領域１１２のほうが大きい圧縮残留応力が付与されていることが分かる。このことから、噴射対象物（ここでは、試験片ＴＰ）におけるキャビテーション噴流の低圧水側が吹き付けられた箇所のほうが高圧水側が吹き付けられた箇所よりも大きい圧縮残留応力が付与されることが分かった。これは、キャビテーション噴流の低圧水側でキャビテーション気泡が崩壊するためである。
【００５０】
また、壊食痕１１０の外周領域１１２の内周縁部１１２ａよりも略中央部１１２ｂのほうが残留応力の低下が大きく、壊食痕１１０の外周領域１１２の内周縁部１１２ａよりも略中央部１１２ｂのほうが大きい圧縮残留応力が付与されていることが分かる。このことから、壊食痕１１０の外周領域１１２の周縁部よりも中央部付近に大きい圧縮残留応力が付与されることが分かった。
【００５１】
さらに、この測定結果によると、残留応力は、気泡発生装置１０を用いていない場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂでは噴射時間１２０秒で−３８８ＭＰａ、１８０秒で−４１０ＭＰａ、気泡発生装置１０を用いた場合の外周領域１１２の略中央部１１２ｂでは噴射時間１２０秒で−５００ＭＰａ、１８０秒で−６００ＭＰａであり、気泡発生装置１０を用いていない場合よりも気泡発生装置１０を用いた場合のほうが残留応力の低下が大きく、気泡発生装置１０により高圧ノズル部２１の高圧水に気泡を供給することで、噴射対象物により大きい圧縮残留応力を付与することができることが分かった。
《ボルト刻印工具の強化》
以上のことを踏まえてボルト刻印工具９を強化すべく、ノズル距離Ｌを調整して噴射ノズル２から噴射されたキャビテーション噴流の低圧流体側をボルト刻印工具９の凹部９１外周側に吹き付け、刻印部９１ｂに圧縮残留応力を付与した。実施例で使用したボルト刻印工具９及びノズル距離Ｌを以下に示す。
【００５２】
−ボルト刻印工具−
本実施例では、強度区分１０．９（ＪＩＳ Ｂ１０５１）、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ Ｇ４０５３）製で且つ、ねじの呼びＭ１２の六角ボルトの頭部Ｈを形成すると共に、該頭部Ｈの頂面にマークを刻印するためのボルト刻印工具９を使用した。このボルト刻印工具９の上記所定の円の直径Ｙは、１５ｍｍであった。即ち、上記所定の円の直径Ｙに対する低圧ノズル部２２の内径Ｘ３の比率は、百分率で約１３３％であった。
【００５３】
−ノズル距離−
ノズル距離Ｌは、２０ｍｍとした。即ち、低圧ノズル部２２の内径Ｘ３に対するノズル距離Ｌの比率は、百分率で１００％であった。
《ボルト刻印工具の寿命の評価試験》
上記のようにして強化したボルト刻印工具９の寿命を評価すべく、以下のボルト刻印工具９を作製した。
【００５４】
（発明例）
キャビテーション噴流を１０秒間吹き付けたボルト刻印工具９を発明例１とし、キャビテーション噴流を３０秒間吹き付けたボルト刻印工具９を発明例２とし、キャビテーション噴流を１２０秒間吹き付けたボルト刻印工具９を発明例３とした。尚、発明例１〜３の何れのボルト刻印工具９を作製する際にも、気泡発生装置１０を使用していない。
【００５５】
（比較例）
キャビテーション噴流を吹き付けていないボルト刻印工具９を比較例とした。
【００５６】
−ボルト刻印工具の寿命の評価−
上記発明例１〜３及び比較例のボルト刻印工具９の凹部９１を複数のボルト材料Ｍに順次叩きつけて上記Ｍ１２の六角ボルトの頭部Ｈを形成し、ボルト刻印工具９の凹部９１外周側が０．１ｍｍ摩耗したときをボルト刻印工具９の寿命とした。
【００５７】
試験結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１に示すように、寿命に達するまでに叩いたボルト材料Ｍの本数は、キャビテーション噴流を吹き付けていない比較例では８万本であるのに対し、キャビテーション噴流を吹き付けた発明例１〜３では約３０万〜４０万本であり、本発明に係るボルト刻印工具９の寿命が従来のボルト刻印工具９の寿命よりも約４〜５倍延びていることが分かる。
【００６０】
以上の評価により、本発明の有効性が実証された。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、ボルトの頭部にマークを刻印するためのボルト刻印工具の寿命を延ばすことができる点で有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１ キャビテーションピーニング装置
２ 噴射ノズル
２１ 高圧ノズル部
２２ 低圧ノズル部
９ ボルト刻印工具
９１ 凹部
９１ａ 底面
９１ｂ 刻印部
１０ 気泡発生装置
Ｈ （ボルト）頭部
Ｌ ノズル距離
Ｍ ボルト材料
Ｘ３ （低圧ノズル部の）内径
Ｙ （所定の円の）直径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向にマークが刻まれた刻印部が底面外周側に設けられた平面視円形状の凹部を有し、冷間圧造により前記凹部を棒状のボルト材料に叩きつけて該ボルト材料に頭部を形成すると共に該頭部の外周側に前記マークを刻印するボルト刻印工具と、
高圧流体を噴射する円筒状の高圧ノズル部と、該高圧ノズル部の周囲に同心状に配設され、低圧流体を噴射する円筒状の低圧ノズル部とを有し、前記高圧流体と低圧流体とによりキャビテーションが発生するキャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルとを準備し、
前記噴射ノズルの軸心と前記凹部の中心とを合致させて前記噴射ノズルから前記キャビテーション噴流を前記ボルト刻印工具に向けて噴射し、該キャビテーション噴流の低圧流体側を前記凹部外周側に吹き付け、キャビテーションにより前記刻印部に圧縮残留応力を付与することを特徴とするボルト刻印工具の強化方法。
【請求項２】
請求項１に記載のボルト刻印工具の強化方法において、
前記刻印部の最外周部は、前記ボルト刻印工具の軸心を中心とする所定の円周上に位置しており、
前記所定の円の直径に対する前記低圧ノズル部の内径の比率が百分率で６０〜１５０％であり、且つ、前記低圧ノズル部の内径に対する前記噴射ノズルと前記ボルト刻印工具の凹部底面との距離の比率が百分率で８０〜１２０％であることを特徴とするボルト刻印工具の強化方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボルト刻印工具の強化方法において、
前記高圧流体に気泡を供給し、該気泡が供給された高圧流体を前記高圧ノズル部から噴射することを特徴とするボルト刻印工具の強化方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のボルト刻印工具の強化方法により強化されたボルト刻印工具。
【請求項１】
周方向にマークが刻まれた刻印部が底面外周側に設けられた平面視円形状の凹部を有し、冷間圧造により前記凹部を棒状のボルト材料に叩きつけて該ボルト材料に頭部を形成すると共に該頭部の外周側に前記マークを刻印するボルト刻印工具と、
高圧流体を噴射する円筒状の高圧ノズル部と、該高圧ノズル部の周囲に同心状に配設され、低圧流体を噴射する円筒状の低圧ノズル部とを有し、前記高圧流体と低圧流体とによりキャビテーションが発生するキャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルとを準備し、
前記噴射ノズルの軸心と前記凹部の中心とを合致させて前記噴射ノズルから前記キャビテーション噴流を前記ボルト刻印工具に向けて噴射し、該キャビテーション噴流の低圧流体側を前記凹部外周側に吹き付け、キャビテーションにより前記刻印部に圧縮残留応力を付与することを特徴とするボルト刻印工具の強化方法。
【請求項２】
請求項１に記載のボルト刻印工具の強化方法において、
前記刻印部の最外周部は、前記ボルト刻印工具の軸心を中心とする所定の円周上に位置しており、
前記所定の円の直径に対する前記低圧ノズル部の内径の比率が百分率で６０〜１５０％であり、且つ、前記低圧ノズル部の内径に対する前記噴射ノズルと前記ボルト刻印工具の凹部底面との距離の比率が百分率で８０〜１２０％であることを特徴とするボルト刻印工具の強化方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボルト刻印工具の強化方法において、
前記高圧流体に気泡を供給し、該気泡が供給された高圧流体を前記高圧ノズル部から噴射することを特徴とするボルト刻印工具の強化方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のボルト刻印工具の強化方法により強化されたボルト刻印工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８２０３０（Ｐ２０１３−８２０３０Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３１７０（Ｐ２０１１−２２３１７０）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（３９９００９６４２）ＪＦＥ条鋼株式会社 (45)
【出願人】（５９２０８０７５２）日本ファスナー工業株式会社 (12)
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（３９９００９６４２）ＪＦＥ条鋼株式会社 (45)
【出願人】（５９２０８０７５２）日本ファスナー工業株式会社 (12)
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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