JP2005254367A - Peening method and peening device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属部材に存在する残留応力を改善するピーニング処理方法および装置に関する。 The present invention relates to a peening processing method and apparatus for improving a residual stress existing in a metal member.
ピーニング処理は、金属部材表面に存在する残留応力を改善し、硬化することにより疲労強度などを向上させたり、溶接部の引張残留応力を解放金属部材に存在する残留応力を改善する処理方法として用いられており、代表的なピーニング法として、ショットピーニング、レーザーピーニング、ウオータージェットピーニング等が知られている。このうち、ショットピーニング処理法は特許文献1等に記載されているように、金属部材の表面に小さな金属球(ショット)を高速度で当てることにより、金属表面に圧縮応力を残留させる技術であり、また、レーザーピーニング処理法は特許文献2等に記載されているように、液体中で金属部材表面にパルスレーザー光を照射することにより、金属表面に圧縮応力を残留させる技術である。さらに、ウオータージェットピーニング処理法は特許文献3等に記載されているように、液体中でノズルから高圧流体を流すことによりキャビテーション噴流を金属部材表面にあてることにより、金属表面に圧縮応力を残留させる技術である。
上記特許文献1記載のショットピーニングでは金属粒子(ショット)を噴出させるための高圧空気発生源や金属粒子の回収装置などが必要となり、大型の装置が必要である。また、特許文献2記載のレーザーピーニングでも大型のレーザー発生装置が必要となる。さらに、特許文献3記載のウオータージェットピーニングにおいても、高圧液体流を発生させるための大型装置が必要である。
The shot peening described in
このように現状のピーニング処理法はいずれも大型の装置を必要とし、小型の装置で簡易にピーニング処理することのできる方法および装置は今のところ見当たらない。
本発明は以上述べた従来技術の課題に鑑みなされたもので、小型の装置で簡易にピーニング処理することのできるピーニング処理方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
As described above, all of the current peening methods require a large apparatus, and no method and apparatus that can be easily peened with a small apparatus have been found so far.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a peening processing method and apparatus capable of easily performing peening processing with a small apparatus.
上記の目的を達成するため、請求項1に係るピーニング処理方法の発明は、液体中で被加工物の表面から所定距離を隔てて対向するように設置した振動子を高周波振動させて液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention of the peening method according to
また、請求項6に係るピーニング装置の発明は、被加工物の表面に液体を保留する液体保留部と、この保留されている液体中で被加工物の表面に対し所定距離を隔てて設置された振動子と、この振動子を高周波振動させるアクチュエータと、このアクチュエータに動作信号を供給して高周波振動を発生させるように駆動する電源とから構成され、前記振動子の振動により液体にキャビテーションを発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力により前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴とする。
Further, the invention of the peening apparatus according to
本発明に係るピーニング処理方法およびピーニング装置は高周波振動により発生させたキャビテーションを用いることにより、簡易なピーニング処理方法、小型のピーニング装置を提供することができる。 The peening treatment method and the peening apparatus according to the present invention can provide a simple peening treatment method and a small peening apparatus by using cavitation generated by high-frequency vibration.
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明のピーニング装置によるピーニング実験方法を示す概略図である。図1において、水槽1に貯留した液体(例えば、水あるいは沸点の低いアルコールやアセトンなどの溶媒)の2内で被加工物3とアクチュエータ4の先端部に取り付けた振動子5とを対向配置し、このアクチュエータ4により振動子5を高周波振動させることにより、振動子5と被加工物3との間にキャビテーションを発生させ、被加工物3をピーニング処理するようにしものである。前記アクチュエータ4に超磁歪材料を用いることにより、大面積を有する振動子を振動させることができるため、被加工物の大面積に同時にキャビテーションによるピーニング処理を行うことができる。なお、6はアクチュエータ4を振動させるための電気信号を供給する電源である。
FIG. 1 is a schematic view showing a peening experiment method using the peening apparatus of the present invention. In FIG. 1, a
ここで、超磁歪材料とは、従来の磁歪材料に比較して2桁以上歪み量が大きい材料を言うものである。すなわち、従来の磁歪材料で得られる歪み量は高々数十μm程度であるが、本発明で用いる超磁歪材料では約2000μmという歪み量が得られるものを言う。そして、このような磁歪材料の1例として、テルビウム、ディスプロシム、鉄から構成される単結晶材料がある。また、別の例としてはRTx(Rはランタノイド元素のうちの1種または2種以上、Tは鉄、コバルト、ニッケルの1種または2種以上、xは0<x<10)と一般式で記載される金属間化合物で形成される超磁歪材料もある。 Here, the super magnetostrictive material means a material having a strain amount larger by two digits or more than that of a conventional magnetostrictive material. That is, the strain amount obtained by the conventional magnetostrictive material is about several tens of μm at most, but the super magnetostrictive material used in the present invention can obtain a strain amount of about 2000 μm. One example of such a magnetostrictive material is a single crystal material composed of terbium, dysprosim, and iron. Another example is RTx (where R is one or more of lanthanoid elements, T is one or more of iron, cobalt, nickel, and x is 0 <x <10). There are also giant magnetostrictive materials formed of the intermetallic compounds described.
この実験では、条件を種々変えてキャビテーション発生試験をした結果、以下の(1)〜(3)の条件にて多くのキャビテーションを発生させて高いピーニング効果を得ることができた。
(1)振動子5と被加工物3の距離を5mm以下に保つ。
(2)高周波振動の振幅幅を10μm以上にする。
(3)高周波振動の周波数を1kHz以上にする。
In this experiment, the cavitation generation test was performed under various conditions, and as a result, many cavitations were generated under the following conditions (1) to (3), and a high peening effect could be obtained.
(1) Keep the distance between the
(2) The amplitude width of the high-frequency vibration is set to 10 μm or more.
(3) The frequency of the high frequency vibration is set to 1 kHz or more.
次に、この実験による材料表面硬化グラフを図2に示す。図中、Data1はピーニング処理前のデータ、Data2はピーニング処理後のデータである。
この実験は、次の(a)〜(e)の条件下で行ったものである。
(a)被加工物;SUS316Lオーステナイトステンレス鋼
(b)アクチュエータ;超磁歪材料
(c)振動子〜被加工物間距離;1.0(mm)
(d)振動子の振幅;30(μm)
(e)振動子の周波数;2(kHz)
(f)キャビテーション時間;3分間
ここで、硬度は荷重100(g)のヌープ硬さ(Hk)により測定している。
Next, the material surface hardening graph by this experiment is shown in FIG. In the figure, Data1 is data before peening processing, and Data2 is data after peening processing.
This experiment was conducted under the following conditions (a) to (e).
(A) Work piece; SUS316L austenitic stainless steel (b) Actuator; Giant magnetostrictive material (c) Distance between vibrator and work piece; 1.0 (mm)
(D) Amplitude of vibrator; 30 (μm)
(E) Vibrator frequency: 2 (kHz)
(F) Cavitation time: 3 minutes Here, the hardness is measured by Knoop hardness (Hk) with a load of 100 (g).
図2に示した実験結果のグラフから明らかなように、キャビテーションによるピーニング処理を施した被加工物の場合、材料表面から約100(μm)の深さの範囲まで硬化しており、本発明により十分なピーニング効果が得られた。 As is clear from the graph of the experimental results shown in FIG. 2, in the case of the workpiece subjected to the peening process by cavitation, it is cured to a depth range of about 100 (μm) from the surface of the material. Sufficient peening effect was obtained.
次に、図1の原理に基づいて製作したハンディタイプのピーニング装置の一実施例を図3に示す。
図1の原理図では、水槽1に貯留した液体2中で被加工物3と振動子5とを対峙させるようにしたが、現場で実際にピーニング処理する被加工物3は大型の構造物である場合が多い。したがって、大型の被加工物3を水槽1中に収容することは実用的ではないので、本実施例では水槽1内に液体2を貯留する構成を採用せずに、替わりに次のような構成を採用している。
Next, FIG. 3 shows an embodiment of a handy type peening apparatus manufactured based on the principle of FIG.
In the principle diagram of FIG. 1, the
図3において、符号2〜6で示す要素は図1の原理図の場合と同様の要素であるが、本実施例はピーニング処理時に被加工物3の表面にピーニング装置ケース7を戴置したとき、このケース7と被加工物3の表面とで形成した空間部に液体貯留部8を形成するようにし、この液体貯留部8内で振動子5を被加工物3の表面と対峙させるように構成したものである。
In FIG. 3, the elements indicated by
ところで、前記ピーニング装置ケース7は一端を蓋で塞ぎ他端を開口部とした筒状(円筒状、角筒状のいずれでもよい)のアクチュエータ収容部7aと、このアクチュエータ収容部7aの開口部側すなわちアクチュエータ収容部7aの下部に一体的に固定され、液体貯留部8を形成する台座部7bとから構成されている。
By the way, the peening device case 7 has a cylindrical
この台座部7bは、前記被加工物3の表面との間に液体貯留部8を形成するのに十分な高さを有する筒状(円筒状、角筒状のいずれでもよい)脚部7b1を一体的に固定しており、且つその脚部7b1の下端には弾性体からなる環状のシール材10を取り付けることにより、ピーニング装置を移動させる際、液体貯留部8に貯留した液体2が外部に漏れるのを抑制している。このシール材10は、例えば、ブタジエンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム等の弾力性に富んだゴムや樹脂を用いる。
前記筒状脚部7b1は振動子5の位置よりも若干高い位置(被加工物表面からの高さ)に孔7b2を開けており、この孔7b2から液体2がオーバーフローするようにしている。
This
The cylindrical leg 7b1 has a hole 7b2 at a position slightly higher than the position of the vibrator 5 (height from the workpiece surface), and the
そして、台座部7bは前記筒状脚部7b1の内側の振動子5を囲む位置にピーニング装置の荷重を支えて前記シール材10が被加工物3の表面に適切に密着するような長さを有する支持部7b3を設け、そしてこの支持部7b3の先端部にはピーニング装置を滑らかに移動させるための移動用ローラ9を複数個設けている。なお、この支持部7b3は前記脚部7b1と相似した筒状あるいは筒を円周方向に複数に分割した形状のものでもよい。
The
一方、前記アクチュエータ収容部7aは上部すなわち台座部7bの反対側にピーニング装置を移動させる際に把持される移動用取手11を取り付け、さらに、側面に前記液体貯留部8に連通して液体を補給する液体補給孔7a1を設けている。
On the other hand, the
以上のように構成されたピーニング装置ケース7に対して、前記アクチュエータ4は台座部7bの脚部7b1側からアクチュエータ収容部7aに挿入され、振動子5が液体貯留部8内で被加工物3の表面から所定の距離に位置するように取り付けられる。
With respect to the peening apparatus case 7 configured as described above, the
このように構成された簡易型ピーニング装置において、先ず、前記振動子5が被加工物3表面から所定の距離(例えば5mm以下)に位置するように調整し、その後液体補給孔7a1から液体2を液体貯留部8に注入し、振動子5が液体2中に没するようにする。
In the simple peening apparatus configured as described above, first, the
なお、前記振動子5と被加工物3の表面との距離は、近いほど振動子5によるキャビテーションのエネルギが被加工物3に負荷されるため、振動子に与えるエネルギは小さくても必要な圧縮応力を残留させることができるが、振動子5自体の位置制御が難しくなる。よって、本実施例ではその距離を好適には5mm以下とし、且つ、少なくとも1mm程度の距離を確保するものとした。
Note that the closer the distance between the
液体2は常時注入されるようになっており、支持部7b3と被加工物3の表面との間の隙間もしくは、支持部7b3が円周方向に分割されている場合は支持部7b3相互間の隙間を通って、脚部7b1と支持部7b3とで形成した環状の隙間に入り、脚部7b1に明けられた孔7b2を通って外部に流出する。このため、液体貯留部8の液位は常に孔7b2の液位に維持される。
The
この状態で電源6からアクチュエータ4に動作信号を送ってアクチュエータ4を動作させ、振動子5を液体2中で高周波振動させる。このときの振動子5の周波数は2(kHz)であり、振幅は10(μm)である。
In this state, an operation signal is sent from the
なお、現在得られる振動子5としては、振幅が大きいものでも200〜500μm、周波数としては50kHz程度のものであると言われている。しかし、あまり振幅が大きいと、本実施の形態のような限られた空間でのキャビテーションの発生には好ましくない。同様に、周波数も高いほどキャビテーションのエネルギは大きくなるが、振動子5と被加工物3との距離との関係もあり、必ずしも最大の周波数を必要としない。
Note that it is said that the currently obtained
よって、本実施の形態では実験の結果より、振動子の振幅を10μm以上、好ましくは30μm程度までが望ましく、その周波数も1kHz以上、好ましくは2kHz程度までが望ましい。 Therefore, in the present embodiment, from the experimental results, the amplitude of the vibrator is desirably 10 μm or more, preferably approximately 30 μm, and the frequency is desirably 1 kHz or more, preferably approximately 2 kHz.
この振動子5の振動により、液体貯留部8内で液体2にキャビテーションが発生する。このキャビテーション気泡の崩壊衝撃力は非常に大きいため、被加工物表面にてキャビテーション気泡を崩壊させることにより、被加工部3表面に圧縮応力が残留し、被加工部3表面の疲労強度を高め、応力腐食の改善、溶接部の引張残留応力を解放させることができる。
Due to the vibration of the
ピーニング装置を移動させる際は、シール材10と被処理部3の表面との接触面から液体2が僅かづつ漏れるが、常時液体補給孔7a1から液体2が補給されているので、液位は一定に維持されている。
When the peening apparatus is moved, the
以上述べたように、本発明のピーニング処理方法および装置によれば、ケースから液体を供給することによって、振動子5と被加工物3の間に液体2を貯留したままの状態で、被加工物3の表面を自由に移動させてピーニング処理することができ、しかも台座部7bに移動用ローラ9を設けるようにしたので、ピーニング装置を簡単に移動させることができる。
したがって、本発明のピーニング装置は小型でありながら、大型プラントの溶接部等の引張残留応力解放や疲労強度向上の現地施工に適したピーニング処理を行うことができる。
As described above, according to the peening processing method and apparatus of the present invention, by supplying the liquid from the case, the
Therefore, although the peening apparatus of the present invention is small, it can perform a peening process suitable for on-site construction for releasing tensile residual stress and improving fatigue strength of a welded part of a large plant.
1…水槽、2…液体、3…被加工物、4…アクチュエータ、5…振動子、6…電源、7…ピーニング装置ケース、7a…アクチュエータ収納部、7a1…液体補給孔、7b…台座部、7b1…脚部、7b2…孔、7b3…支持部、8…液体貯留部、9…移動用ローラ、10…シール材、11…移動用取手。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記台座部の下側に位置する脚部の下端部に取り付けられ、ピーニング処理時前記被加工物の表面に密着して液体貯留部に貯留した液体が外部に漏れるのを抑制する環状のシール材とを設けたことを特徴とする請求項6または7記載のピーニング装置。 A case including an actuator housing portion that houses the actuator, and a pedestal portion that is fixed to an opening located at a lower portion of the actuator housing portion and forms a liquid storage portion in contact with the surface of the workpiece;
An annular sealing material that is attached to the lower end of the leg located below the pedestal and that tightly contacts the surface of the workpiece during peening and prevents leakage of liquid stored in the liquid reservoir to the outside The peening apparatus according to claim 6 or 7, wherein:
A supporting part for supporting the load of the peening apparatus provided at a position surrounding the vibrator below the pedestal part, and a peening apparatus provided at the tip of the supporting part and in contact with the surface of the workpiece The peening apparatus according to claim 6, further comprising a moving roller for smoothly moving the roller.
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JP2009078305A (en) * | 2007-09-25 | 2009-04-16 | Toshiba Plant Systems & Services Corp | Surface-treatment equipment and method |
JP2011016178A (en) * | 2009-07-08 | 2011-01-27 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | Water jet peening method and device |
CN108285970A (en) * | 2017-03-20 | 2018-07-17 | 南宁市神华振动时效技术研究所 | Marine drilling platform oscillation time-effect method |
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