ショットピーニングはチタン部品の精度に影響するのか？その管理方法とは？

ショットピーニングは、適切に制御されない場合、チタン部品の寸法精度および形状に大きな影響を与える可能性があります。このプロセスは、表面に微細な投射材を衝突させて圧縮残留応力を導入するものであり、疲労特性を向上させる一方で、幾何学的な変形を招くリスクも伴います。この影響を管理することは、高信頼性部品のプロセスエンジニアリングにおける重要な要素です。

精度への影響メカニズム

ショットピーニングは、材料の表層を塑性変形させることで機能します。この表面層の「伸び」により、亀裂の発生および進展を抑制する圧縮応力層が形成されます。しかし、拘束された部品では、この局所的な表面膨張が内部的に吸収されなければなりません。薄肉部品、非対称形状、または加工による残留応力を有する部品では、これが反り・曲がり・ねじれなどの変形を引き起こすことがあります。この現象は、加熱により反るバイメタルストリップの挙動に類似しています。チタンCNC加工サービスで製造された高精度部品においては、わずか数ミクロンの変形でも公差外となる可能性があります。

精度を維持するための主要な管理戦略

変形を抑制するには、プロセス管理と事前検証に基づく多面的で予防的なアプローチが必要です。

• ピーニング前の応力除去： 最も重要な工程は、ショットピーニングの前に、加工後の部品にCNC加工用熱処理（応力除去）を施すことです。これにより、フライスや旋削で生じた残留応力を除去し、安定した均一な状態を確保します。内部応力を多く含んだ状態でピーニングを行うと、予測不能な変形を引き起こすリスクが高まります。

• 治具とマスキング： 基準面や厳しい公差が要求される領域は、通常マスキングして直接ピーニングされないようにします。さらに、高度な治具を用いて部品を公称形状のまま拘束し、ピーニング中の変形力に対抗することも有効です。

• プロセスパラメータの精密制御： ピーニング強度（アルメンストリップで測定）、被覆率、メディアの種類（粒径・形状・材質）、衝突角度などを厳密に定義・監視します。繊細な形状部品では、構造安定性を損なわずに必要な圧縮応力を得るため、低強度設定が指定されることもあります。多くの場合、CNC試作加工の段階で試験片を用いてパラメータを検証し、本生産に反映させます。

• 反復的プロセスと検証： 複雑または高価値部品では、初品検証（ファーストアーティクルバリデーション）が不可欠です。試験的にピーニングを実施し、その後CMMで形状を詳細に測定します。許容範囲を超える変形が検出された場合、プロセスパラメータまたは事前熱処理条件を調整し、安定して仕様内に収まるまで繰り返し最適化を行います。

ピーニング後の考慮事項

特に航空宇宙産業向け部品では、ピーニング後に低温応力除去（リカバリーベークとも呼ばれる）を行うことがあります。この工程により、圧縮応力のピークをわずかに緩和しつつ、その有効性を保持し、部品の安定化と長期的な形状変化リスクの低減を実現します。また、重要な基準面に対しては、ピーニング後に最終研削またはCNC研削サービスを行うことも一般的ですが、圧縮層を破壊しないように注意が必要です。

結論

ショットピーニングは寸法精度にリスクをもたらす可能性がありますが、それは制御可能なプロセスです。重要なのは、金属組織的相互作用を理解し、データに基づいた体系的手法を採用するサプライヤーと協力することです。応力除去された部品、最適化されたピーニングパラメータ、戦略的な治具設計、そして綿密な検証の組み合わせにより、チタンの疲労寿命を大幅に向上させるショットピーニングの利点を、寸法精度を損なうことなく実現できます。