薄板ばねは、その軽量性、省スペース性、そして特定の用途における優れた応答性から、現代の多くの製品において不可欠な部品です。
しかし、その性能を最大限に引き出す、特に疲労強度と耐久性を確保するためには、材料選定だけでなく、適切な製造プロセスと後処理技術が極めて重要になります。
山内スプリング製作所では、これまで培ってきた経験とノウハウをもとに、本コラムにて薄板ばねの寿命を大きく左右する表面加工と熱処理に焦点を当てつつ、そのメカニズムと効果についても解説して参りたいと思います。

表面加工による疲労強度メカニズムの改善

薄板ばねの疲労破壊は、通常、表面の応力集中点から発生する微細なきずが起点となります。このきずの発生・進展を抑制することが、疲労強度向上への鍵となります。

1. ショットピーニング：圧縮残留応力によるき裂発生抑制

ショットピーニングは、ばね表面に高速度で金属球を投射することで、加工硬化と同時に圧縮残留応力を付与する表面処理技術です。
この圧縮残留応力は、ばねが繰り返し引張応力を受ける際に、その引張応力を相殺する形で作用します。
これにより、表面に発生しうる引張応力の実効値を低下させ、疲労きずの発生を抑制します。
また、表面の微細な凹凸が平滑化されることで、応力集中源の除去にも寄与します。

ある文献では、薄板ばねのショットピーニング処理が疲労強度を42%以上向上させる可能性があると指摘されています。これは本来材料が持っている強度特性、ポテンシャルを最大限に引き出す手法として極めて有効と考えられます。
この薄板ばねの疲労強度の向上率は、きず発生と伝播のメカニズムに対する圧縮残留応力の有効性を示す明確な根拠と言えるのではないでしょうか。

2. バレル研磨：表面欠陥の除去と応力集中の緩和

バレル研磨は、研磨材とともにばねを回転または振動させることで、表面の微細なバリや傷、スケールなどの欠陥を除去し、表面粗さを改善する機械研磨加工です。
これらの表面欠陥は、疲労破壊の起点となる応力集中源として機能するため、バレル研磨にて除去を行うことで疲労強度を向上させます。
この工法は前述のショットピーニングとは異なるメカニズムですが、特定の条件下では類似の疲労強度改善効果が期待できる可能性があります。
特に、精密な表面仕上げが要求される用途において、バレル研磨は有効な選択肢となり得ます。

熱処理：材料特性の最適化と内部応力の制御

表面加工と並び、熱処理は薄板ばねの最終的な材料特性、特に弾性特性、硬度、そして疲労強度を決定づける上で不可欠な工程です。山内スプリング製作所でも、薄板ばねの機能性向上のため、社内で熱処理を行っております。

適切な熱処理プロファイルの選択

薄板ばねの曲げ加工後に、適切な温度と時間で熱処理を施せば、材料内部の結晶構造を最適化し、加工によって導入された残留応力（引張残留応力など）を除去することができます。
これにより、材料が本来持つ機械的特性（降伏強度、引張強度、そして特に疲労強度などの向上）を最大限に引き出し、製品としての性能を安定・向上させることが可能です。
薄板ばねの施される熱処理は、応力除去焼きなまし、時効処理、または焼き戻しなどがありますが、材料種と要求される特性に応じて、山内スプリング製作所では適切な温度プロファイルを設定し管理しています。

その他の疲労強度関連加工技術

上記のほか、薄板ばねの寿命を伸ばすための方法としては、下記が挙げられます。

1. ストレスピーニング：応力印加下のピーニング効果最大化

ストレスピーニングは、薄板ばねに荷重を印加した状態（または加熱状態）でショットピーニングを行う技術です。
これにより、薄板ばねが使用時に受けるであろう応力状態をシミュレートしながら圧縮残留応力を導入でき、より効果的な疲労強度向上を実現します。特に、特定の応力モードが支配的な用途において、その効果は顕著です。
なお当社ではこの方法は社内では対応ができないので、詳しくはお問い合わせ頂きたいと思います。

2. セッチング：弾性限界の向上とへたり特性の改善

セッチング（セッティング、プリセット）は、薄板ばねの弾性限界を超える荷重を意図的に一度加えることで、永久変形を発生させる操作です。これにより、ばねの弾性限界を実質的に向上させ、使用時における「へたり」（永久変形）を抑制することができます。
特に、繰り返し荷重下での寸法安定性が求められる用途において、このセッチングという技術は薄板ばねの信頼性を大幅に高めます。

またホットセッチングは、低温焼きなまし程度の温度下で行われるセッチングのことを指し、常温でのセッチングに比べてヘタリ防止効果がさらに向上するとされています。
これは、高温下での塑性変形が材料内部の応力再配分を促進し、より安定した残留応力状態を形成するためと考えられます。

多角的なアプローチにより、薄板ばねの信頼性向上をご提案いたします

いかがでしたでしょうか。
薄板ばねの寿命と信頼性を向上させるためには、一般的には材料選定と熱処理のみによって行われると思われがちですが、こうした単一の技術に依存するのではなく、ショットピーニングやバレル研磨といった表面加工技術、適切な熱処理プロファイルの選択、そしてストレスピーニングやセッチングといった応用加工を組み合わる、多角的なアプローチを行うことで、薄板ばねの信頼性を大きく向上させることが可能です。
当社では、これらの技術を体系的に適用することで、ばねの疲労破壊に対する耐性を高めるご提案を行うことが可能です。

貴社の製品開発において、薄板ばねの信頼性向上によって、さらなるパフォーマンス向上とコスト最適化が実現できるかもしれませんので、お困りの際は山内スプリング製作所までお問い合わせください。