JP2007044795A - 亀裂進展阻止構造、亀裂進展阻止方法及び亀裂進展防止装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】亀裂進展阻止対象となる金属部材1の表面適所を剛体の剛球3で押圧して形成した点状ディンプル4を設けた。
【選択図】図1
Description
第1の手法としては、金属部材に発生した亀裂の先端にストップホールと呼ぶドリル穴を明けるものである。この場合のストップホールは、ストップホールの穴径より少し太いマンドレルを引き抜くことにより、内壁を冷間加工することもある。
第2の手法は、バーニシングと呼ばれるものである。この場合、工作機械を使用することにより、鋼球を軽く押さえながら金属部材の表面を転がし、表面の凹凸をなくすとともに圧縮残留応力を付与することで疲労強度を向上させている。(たとえば、特許文献1参照)
第1の手法であるストップホールは、穴縁から新たな亀裂が早期に発生したり、あるいは、亀裂長が穴径分だけ一気に大きくなるという問題があるため、亀裂進展を阻止するという意味ではそれほど大きな効果が得られなかった。また、穴内面に冷間加工を施すことは、亀裂の発生を抑制または阻止するためには効果があるものの、いったん発生した亀裂が進展するのを抑制または阻止するための効果はなく、しかも、施工が面倒になるという問題もあった。
このように、従来の亀裂進展阻止技術は十分な効果を得られるものではなく、従って、たとえば航空機の機体等においては定期的な点検により亀裂の状態を確認する必要があった。すなわち、亀裂の進展阻止が十分に行われないと、定期的な点検のサイクルを短く設定する必要があってメンテナンス費用を増大させるため、亀裂の進展阻止に有効な技術の開発が望まれている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属部材に発生する亀裂及び発生した亀裂の進展を抑制または阻止することができる亀裂進展阻止構造、亀裂進展阻止方法及び亀裂進展阻止装置を提供することにある。
本発明に係る亀裂進展阻止構造は、亀裂進展阻止対象となる金属部材の表面適所を剛体で押圧して形成したディンプルが設けられていることを特徴とするものである。
また、亀裂の発生位置を特定できる既存の金属部材等に適用する場合は、最適位置に配置されたディンプルにより局所的な塑性加工域及び圧縮残留応力域が進展経路上に存在するので、最少のディンプル形成により亀裂の進展を確実に阻止することができる。
図3は、亀裂進展阻止構造の適用例として、通常スキンストリンガ構造と呼ばれる航空機の機体構造を示している。図示の例では航空機の胴体10が示されており、この胴体10は、アルミニウム合金製の外板(スキン)11を、フレーム12及びストリンガ13と呼ばれるアルミニウム合金製の骨材を井桁状に組んだ骨格部材の外側にリベット14で接合した構成とされる。
このように構成された胴体10は、繰り返し荷重等を受けることにより亀裂を発生するが、この亀裂が所定値以上に大きくならないよう定めたサイクルで定期的に点検を行っている。
そして、点状ディンプル4のより好ましい配置は、たとえば図9に示すように、亀裂2の進展方向となる延長線上に1または複数個設けてもよいし、あるいは、たとえば図10に示すように、亀裂2の延長線を挟むように複数個設けてもよい。なお、図示は省略したが、亀裂2の延長線上及び延長線を挟む位置の両方に複数個の点状ディンプル4を設けてもよい。
このため、塑性加工のみで重量の増加を伴うことのない点状ディンプル4を適所に形成すれば、亀裂2の進展が抑制または阻止される亀裂進展阻止構造となるので、たとえば定期点検等で発見された亀裂2の近傍適所に最小限の点状ディンプル4を形成することにより、局所的な塑性加工域及び圧縮残留応力域が要所に形成されて亀裂の進展を抑制または阻止するのに有効な亀裂進展阻止方法となる。
このような亀裂阻止構造としても、塑性加工のみで重量の増加を伴うことのない線状ディンプル4Aが延長線上に形成され、この線上ディンプル4A及びその周辺に塑性加工域及び圧縮残留応力域が形成されて亀裂2の進展を抑制または阻止することができるので、たとえば定期点検等で発見された亀裂2の延長線上に線状ディンプル4Aを形成することにより、この線状ディンプル4Aと交差する領域を広域的にカバーして亀裂の進展を抑制または阻止するのに有効な亀裂進展阻止方法となる。
図4に示す第3実施形態では、リベット構造とした新造の胴体10において、外板11の適所に予め点状ディンプル4を形成しておく。この場合、フレーム12及びストリンガ13に囲まれた外板11に対し、フレーム12及びストリンガ13と平行に所定のピッチで配列された多数の点状ディンプル4が形成されている。なお、図示の例では、縦方向及び横方向の端から端まで各々2列の点状ディンプル4を直線状に配列してあるが、これに限定されるものではない。
具体的に説明すると、たとえばフレーム12と交差する方向に亀裂2a,2cが発生した場合、この亀裂2a,2cが進展すると、その延長線上にはフレーム12と平行に点状ディンプル4が多数配列されている。このため、亀裂2a,2cの進展は、点状ディンプル4の塑性加工域または点状ディンプル4の間に形成された圧縮残留応力域に到達して阻止される。
また、ストリンガ13と交差する方向に亀裂2bが発生した場合、この亀裂2bが進展すると、その延長線上にはストリンガ13と平行に点状ディンプル4が多数配列されている。このため、亀裂2bの進展は、点状ディンプル4の塑性加工域または点状ディンプル4の間に形成された圧縮残留応力域に到達して阻止される。
具体的に説明すると、たとえばフレーム12と交差する方向に亀裂2a,2cが発生した場合、及びストリンガ13と交差する方向に亀裂2bが発生した場合には、これらの亀裂2a,2b,2cが進展すると、その延長線上には必ず直線状に多数配列した点状ディンプル4が存在する。このため、亀裂2a,2b,2cの進展は、いずれも点状ディンプル4の塑性加工域または点状ディンプル4の間に形成された圧縮残留応力域に到達して阻止される。
このような構成としても、上述した第3実施形態と同様に、使用開始後に予測できない位置に発生する亀裂2の進展を最小限に阻止することができる。
具体的に説明すると、たとえばフレーム12と交差する方向に亀裂2a,2cが発生した場合、この亀裂2a,2cが進展すると、その延長線上にはフレーム12と平行な線状ディンプル4Aが形成されている。このため、亀裂2a,2cの進展は、線状ディンプル4Aの塑性加工域及び圧縮残留応力域に到達して阻止される。
また、ストリンガ13と交差する方向に亀裂2bが発生した場合には、この亀裂2bが進展すると、その延長線上にはストリンガ13と平行な線状ディンプル4Aが形成されている。このため、亀裂2bの進展は、線状ディンプル4Aの塑性加工域及び圧縮残留応力域に到達して阻止される。
図11に示す実験結果によれば、ディンプル径dが大きいほど金属材料1が破損に至るまでのサイクル数は多くなり、亀裂2の進展を阻止して寿命が延びていることが分かる。これは、点状ディンプル4の形成に大きな荷重Fが作用することにより、金属が凹み延ばされることで亀裂の開口を小さくすることに加え、点状ディンプル4の周辺に同心円状に延びる塑性加工域及び圧縮残留応力域が広いためであると推測される。なお、金属材料1の破損は、亀裂長さaが略垂直に立ち上がった時点となる。
図12に示す実験では、ディンプル径dが3mmの点状ディンプル4を採用し、亀裂2の延長線上を挟む点状ディンプル4の間隔は4mmとした。この結果、点状ディンプル4を亀裂2の延長線上に配置するよりも、亀裂2の延長線を挟んで二つの点状ディンプル4を配置する構成が長寿命であることが分かる。これは、亀裂2の進展経路が両側から圧縮を受けるため、大きな圧縮残留応力が作用しているためと推測される。
図13に示す亀裂進展阻止装置20は、亀裂進展阻止対象となる金属部材1の表面適所を剛体の剛球3で押圧して点状ディンプル4を形成するものである。この亀裂進展防止装置20は、定盤6上に載置された金属部材1の表面に押し込まれて圧縮荷重を付与する剛体の押圧部23と、圧縮荷重の大きさを検出して調整する制御手段となるロードセル24と、押圧部23を金属部材1の表面を押し込むための荷重発生手段となるアクチュエータ25とを具備して構成される。この場合の押圧部23は、剛球3と、この剛球3が落下するのを防止する剛球保持部21と、剛球保持部21を固定支持するとともに、上端部側がロードセル24に連結されたホルダ22とにより構成される。
なお、図中の符号44は金属部材1を載置する移動台、45は定盤6と移動台44との間に介在させたローラ部材であり、移動台44とともに金属部材1側が移動するようになっている。
この結果、塑性加工のみで重量の増加を伴うことのない点状ディンプル4及び線状ディンプル4Aの形成により亀裂2の進展を抑制または阻止することができるようになり、たとえば航空機の機体等にこれを適用すれば、亀裂2の進展が阻止されたことにより定期的な亀裂の点検サイクルを従来より長く設定することが可能になる。
また、亀裂2の発生位置を特定できる既存の金属部材1等に適用する場合は、最適位置に配置された点状ディンプル4または線状ディンプル4Aにより形成された局所的な塑性加工域及び圧縮残留応力域が進展経路上に存在するので、少ないディンプル形成により亀裂2の進展を確実に阻止することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば適用が航空機の機体構造に限定されないなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
2 亀裂
3 剛球(剛体)
3A ローラ(剛体)
4 点状ディンプル
4A 線状ディンプル
10 胴体
11 外板(スキン)
12 フレーム
13 ストリンガ
20,30,40 亀裂進展防止装置
Claims (8)
- 亀裂進展阻止対象となる金属部材の表面適所を剛体で押圧して形成したディンプルが設けられていることを特徴とする亀裂進展阻止構造。
- 前記ディンプルが1または複数箇所に配置された点状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の亀裂進展阻止構造。
- 前記ディンプルが連続する線状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の亀裂進展阻止構造。
- 亀裂進展阻止対象となる金属部材の表面適所を剛体で押圧してディンプルを形成したことを特徴とする亀裂進展阻止方法。
- 前記ディンプルが点状または線状に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の亀裂進展阻止方法。
- 前記ディンプルが、金属部材の表面に形成された亀裂の端部近傍に形成されることを特徴とする請求項4または5に記載の亀裂進展阻止方法。
- 前記ディンプルが、亀裂の延長線上またはこの延長線を挟むように形成されることを特徴とする請求項6に記載の亀裂進展阻止方法。
- 亀裂進展阻止対象となる金属部材の表面適所を剛体で押圧してディンプルを形成する亀裂進展防止装置であって、
前記金属部材の表面に押し込まれて圧縮荷重を付与する剛体の押圧部と、前記圧縮荷重の大きさを検出して調整する制御手段と、前記押圧部を前記金属部材の表面を押し込むための荷重発生手段とを具備して構成したことを特徴とする亀裂進展防止装置。
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