ショットピーニング

ショットピーニングは、金属や複合材料の圧縮残留応力層を生成し、機械的特性を修正するために使用される冷間加工プロセスです。これは、塑性変形を引き起こすのに十分な力でショット（丸い金属、ガラス、またはセラミック粒子）を表面に打ち付けることを伴います。^{[1] [2]}

機械加工では、ショットピーニングは自動車の鋼鉄製クランクシャフトやコネクティングロッドなどの部品を強化したり、応力を緩和したりするために使用されます。建築分野では、金属に落ち着いた仕上がりを与えます。ショットピーニングは機械的にはサンドブラストに似ていますが、その目的は材料を除去することではなく、塑性のメカニズムを利用して目的を達成し、各粒子がボールピーンハンマーとして機能することです。

表面をピーニングすると、表面が塑性的に広がり、表面の機械的特性が変化します。その主な用途は、表面の微小亀裂の伝播を防ぐことです。材料に圧縮応力をかけることで、ショットピーニングはそのような亀裂の伝播を防ぎます。^[3]

ショットピーニングは、研削工程で蓄積された引張応力を緩和し、有益な圧縮応力に置き換えるために、航空機の修理でよく使用されます。部品の形状、部品の材質、ショットの材質、ショットの品質、ショットの強度、ショットの適用範囲に応じて、ショットピーニングにより疲労寿命を最大 1000% 向上させることができます。^{[4] [2]}

塑性変形により、ピーニングされた表面には残留圧縮応力が生じ、内部には引張応力が生じます。表面の圧縮応力は、金属疲労やある種の応力腐食に対する耐性を与えます。^[1]部品の深部にある引張応力は、内部で亀裂が発生する可能性が低いため、表面の引張応力ほど問題にはなりません。

強度はショットピーニング プロセスの重要なパラメータです。プロセスが開発されてから、ショットピーニングの効果を測定するための類似物が必要になりました。ジョン アルメンは、ショットピーニングによって露出した金属板の側面が曲がり、伸び始めることに気づきました。彼は、ショットピーニング操作によってストリップに生じる圧縮応力を測定するためにアルメン ストリップを作成しました。ショットピーニング操作中のアルメン ストリップの変形を測定することで、「ブラスト ストリームの強度」と呼ばれるものを取得できます。^[1]ストリップが 10% の変形に達すると、アルメン ストリップは同じ強度で 2 倍の時間打撃されます。ストリップがさらに 10% 変形すると、ブラスト ストリームの強度が得られます。

ショットピーニング工程の強度を測定するもう 1 つの方法は、R. Bosshard が開発したAlmen ラウンドを使用することです。

被覆率、つまり 1 回以上凹んだ表面の割合は、ワークピースの表面に対するショット ブラスト ストリームの角度によって変化します。ストリームは円錐形であるため、ショットはさまざまな角度で到達します。表面を一連のオーバーラップ パスで処理すると被覆率は向上しますが、「縞模様」のばらつきは依然として存在します。ショット ストリームの軸とアルメン ストリップの軸を揃えることが重要です。ワークピースの連続した圧縮応力を受けた表面は、被覆率が 50% 未満で生成されることが示されていますが、100% に近づくにつれて低下します。実行するプロセスの被覆率レベルを最適化することは、望ましい表面効果を生成するために重要です。^[5]

SAEインターナショナル^[6]には、航空宇宙産業やその他の産業におけるショットピーニングに関するいくつかの規格が含まれています。

ショット メディアを噴射する一般的な方法には、エア ブラスト システムと遠心ブラスト ホイールがあります。エア ブラスト システムでは、メディアはさまざまな方法で高圧空気の経路に導入され、ピーニングする部品に向けられたノズルを通して加速されます。遠心ブラスト ホイールは高速パドル ホイールで構成されています。ショット メディアは回転ホイールの中央に導入され、メディアの入口位置を調整してメディアの放出のタイミングを効果的に調整することで、回転パドルの遠心力によって部品に向かって噴射されます。その他の方法には、超音波ピーニング、ウェット ピーニング、レーザー ピーニング(メディアを使用しない) などがあります。

媒体の選択肢には、球状の鋳鋼ショット、セラミックビーズ、ガラスビーズ、または調整された（丸い）カットワイヤがあります。^[7] カットワイヤショットは、鋭い破片に砕けてワークピースを損傷する傾向がある鋳造ショットとは異なり、劣化しても丸みを維持するため好まれます。カットワイヤショットは、鋳造ショットの5倍長持ちします。ピーニングには、一貫した硬度、直径、形状の適切に粒度調整されたショットが求められるため、プロセス全体を通じてショットの破片を取り除くメカニズムが望ましいです。ショットを洗浄して再調整するセパレーターと、損傷した材料を交換するために新しいショットを自動的に追加するフィーダーを備えた機器が利用可能です。^[8]

ホイールブラストシステムには、衛星回転モデル、回転スルーフィードコンポーネント、さまざまなマニピュレータ設計が含まれます。オーバーヘッドモノレールシステムとリバースベルトモデルがあります。ワークピース保持装置には、回転インデックステーブル、ロードおよびアンロードロボット、および複数のワークピースを保持するジグが含まれます。より大きなワークピースの場合は、ショットブラストストリームに特徴を露出させるためにそれらを再配置するマニピュレータが利用可能です。^[8]

カットワイヤショットはショットピーニングに使用される金属ショットであり、^[2]圧縮空気ジェットによって小さな粒子がワークピースに発射されます。基本的な原料が安価であるため、低コストの製造プロセスです。切断された粒子は、切断プロセスで作成された鋭いエッジにより効果的な研磨剤ですが、切断されたショットは鋭いエッジがプロセスに適していないため、ショットピーニングの媒体としては望ましくありません。

カットショットは高品質のワイヤーから製造され、各粒子はその直径とほぼ同じ長さにカットされます。必要に応じて、粒子は調整（丸め）され、切断プロセス中に生成された鋭い角が除去されます。用途に応じてさまざまな硬度範囲が利用可能で、メディアの硬度が高いほど耐久性は低くなります。^{[説明が必要]}

その他のカットワイヤショットの用途としては、 タンブリング仕上げや振動仕上げなどがあります。

被覆密度に影響する要因には、衝撃数 (ショットフロー)、露出時間、ショット特性 (サイズ、化学組成)、およびワークピース特性が含まれます。被覆率は目視検査によって監視され、被覆率 (0～100%) が判定されます。100% を超える被覆率は判定できません。個々の衝撃数は、ショットフロー、露出領域、および露出時間に直線的に比例します。被覆率は、プロセスのランダムな性質 (カオス理論) のため直線的に比例しません。100% の被覆率が達成されると、表面上の場所は複数回衝撃を受けています。150% の被覆率では、52% の場所において 5 回以上の衝撃が発生します。200% の被覆率では、84% の場所において 5 回以上の衝撃が発生します。

カバー範囲は、ショットの形状と、ショットおよびワークピースの化学組成によって左右されます。ショットのサイズによって、1 ポンドあたりの衝撃回数が制御されます。ショットが小さいほど、1 ポンドあたりの衝撃回数が多くなるため、必要な露出時間は短くなります。硬い素材に衝撃を与えるソフト ショットは、柔らかい素材に衝撃を与えるハード ショットに比べて、許容できるカバー範囲に達するまでに長い露出時間が必要です (硬いショットはより深く浸透するため、より大きな印象が残るため)。

被覆率と強度 (アルメンストリップで測定) は、疲労寿命に重大な影響を及ぼす可能性があります。これは、通常ショットピーニングされるさまざまな材料に影響する可能性があります。被覆率と強度が不完全または過剰であると、疲労寿命が短くなる可能性があります。ピーニングが過剰になると、ワークピースの表面が過度に冷間加工され、疲労亀裂の原因にもなります。^[8] 被覆率と強度のパラメータを開発する際には、特に異なる特性を持つ材料 (つまり、より柔らかい金属からより硬い金属) を使用する場合は、注意が必要です。さまざまなパラメータで疲労寿命をテストすると、「スイートスポット」が生まれます。このスポットでは、ピーク疲労寿命までほぼ指数関数的に増加し (x = ピーニング強度またはメディアストリームエネルギー、y = 亀裂までの時間または疲労強度)、強度または被覆率が増えるにつれて疲労寿命が急速に低下します。「スイートスポット」は、伝達される運動エネルギーと、ショットメディアおよびワークピースの材料特性に直接相関します。

ショットピーニングは、ギア部品、カムとカムシャフト、クラッチスプリング、コイルスプリング、コネクティングロッド、クランクシャフト、ギアホイール、リーフスプリングとサスペンションスプリング、削岩機、タービンブレードに使用されます。^[2]また、鋳造所では、エンジンブロックやシリンダーヘッドなどの鋳物の砂除去、脱脂、スケール除去、表面仕上げにも使用されます。そのスケール除去作用は、ストリップ、プレート、シート、ワイヤ、バーストックなどの鉄鋼製品の製造に使用できます。^{[1] [8]}

ショットピーニングは、スプリング製造において極めて重要なプロセスです。スプリングの種類には、リーフスプリング、引張スプリング、圧縮スプリングなどがあります。最も広く使用されている用途は、高周期疲労のため、エンジンバルブスプリング（圧縮スプリング）です。OEM バルブスプリング用途では、機械設計とショットピーニングを組み合わせることで、長寿命が保証されます。自動車メーカーは、エンジンの進化に伴い、より高性能で高応力のバルブスプリング設計に移行しています。アフターマーケットの高性能バルブスプリング用途では、材料仕様を超えることもある極端な表面応力に耐えるために、制御された多段階のショットピーニングが必要です。極限性能スプリング（NHRA、IHRA）の疲労寿命は、1/4 マイルのドラッグレーストラックを 2 回通過しただけで、緩和または破損が発生するほど短くなる場合があります。

ショットピーニングは、美観効果を目的に使用されることがあります。ディンプルの重なりによって生じる表面の粗さにより、反射時に光が散乱します。ピーニングでは通常、サンドブラストよりも大きな表面特徴が生成されるため、得られる効果はより顕著になります。

ショットピーニングと研磨ブラストは、金属表面に材料を塗布することができます。ショットまたはグリット粒子が、目的の表面コーティングを含む粉末または液体に吹き付けられると、衝撃がワークピースの表面をメッキまたはコーティングします。このプロセスはセラミックコーティングを埋め込むために使用されてきましたが、その範囲は一貫性がなくランダムです。3M は、コアがアルミナで外層がシリカの粒子で金属表面をブラストするプロセスを開発しました。その結果、シリカが表面に融合しました。ピーンメッキとして知られるプロセスは、NASA によって開発されました。ガラスビーズショットをブラスト媒体として使用して、金属または非金属の微粉末を金属表面にメッキします。このプロセスは、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を表面に塗布するまで進化しました。生体適合性セラミックは、この方法でバイオメディカルインプラントに適用されています。ピーンメッキでは、ショットとの衝突でコーティング材料が高熱にさらされ、コーティングも粉末の形で入手する必要があるため、使用できる材料の範囲が制限されます。熱の問題を克服するために、温度緩和衝突媒介コーティング（TM-CMC）と呼ばれるプロセスにより、ポリマーと抗生物質材料をピーニングコーティングとして使用できるようになりました。コーティングは、ショット粒子の流れと同時に表面に向けられたエアロゾルとして提供されます。TM-CMCプロセスはまだ研究開発段階にあります。^[9]

表面下の圧縮残留応力プロファイルは、X 線回折や硬度プロファイル試験などの技術を使用して測定されます。X 軸は深さ (mm またはインチ)、Y 軸は残留応力 (ksi または MPa) です。最大残留応力プロファイルは、ショット ピーニングの要素 (部品の形状、部品の材質、ショットの材質、ショットの品質、ショットの強度、ショットの適用範囲など) によって影響を受ける可能性があります。たとえば、あるプロセスで硬化鋼部品をショット ピーニングし、次に同じプロセスを別の硬化していない部品に使用すると、過剰ピーニングが発生し、表面残留応力が急激に減少しますが、表面下の応力には影響しません。最大応力は通常、材料の表面にあるため、これは重要です。これらの低い表面応力の緩和は、ショットの直径を変えたり、低残留応力層を除去するその他の表面処理を行ったりする多段階の後処理によって実現できます。

金属合金の圧縮残留応力は、移動する質量 (ショット粒子またはボール ピーン) から塑性変形能力を持つ材料の表面に運動エネルギー(KE) が伝達されることによって生成されます。残留応力プロファイルは、被覆密度にも依存します。衝突のメカニズムには、ショットの硬度、形状、構造の特性、およびワークピースの特性が関係します。ショット ピーニングのプロセス開発と KE 伝達の制御の要因は、ショット速度 (ホイール速度または空気圧/ノズル設計)、ショット質量、ショットの化学的性質、衝突角度、およびワークピースの特性です。例: 非常に高い残留応力が必要な場合は、大径のカット ワイヤ ショット、高強度プロセス、ワークピースへの直接ブラスト、および非常に硬いワークピース材料を使用することになります。

• オートフレッタージュは、圧力容器内に圧縮残留応力を生成します。
• 表面硬化
• 差動硬化
• スチール研磨材
• スチールベルトのショットピーニング
• 溶接遷移部の高周波衝撃処理後処理
• サンコライト
• トリミット