JP2009280864A - 局所塑性加工による切除部の疲労寿命延命法 - Google Patents

Abstract

【課題】断面形状が楕円状や小判状のピンの打ち込みや加締めによって、長円部で穴内縁を部分的に加圧して塑性変形させ、他の領域には引っ張り作用で残留圧縮応力を生じさせるだけで、疲労寿命を延命可能とする。
【解決手段】切除穴１の内縁に、楕円状ピン４の打ち込みや加締めによって、長円側の被加圧部やその周囲を塑性加工して、加工硬化する領域11・11を生じさせる。その結果、強度が向上し、疲労寿命が延びる。また、短円側の穴内縁12・12は、引っ張り負荷で圧縮残留応力が生じるため、強度が向上し疲労寿命が延びる。このようなピンの打ち込みや加締めは、瞬間的な処理作業で済み、大量処理に向いている。
【選択図】図５

Description

本発明は、連結や重量軽減などの目的で設ける切除部から疲労破壊が進展するのを抑制し、疲労寿命を延命する方法に関する。

機械・構造物の締結部分には穴や切欠きなどの切除部が加工されている。その部分では応力集中が生じるために破壊の起点となりやすい。例えば、航空機がリベット穴からの疲労き裂進展によって墜落した事故や構造物の締結部分からき裂が発生したことが報告されている。本発明は、このような穴・切り欠きなどの切除部に局所的に塑性変形を与えることによって残留応力を発生させ、応力集中を軽減し、機械構造物の強度向上を図るものである。

特開２０００−２９６７８２に記載のように、特別な部品を付加することなく、応力集中部位を有する部材の疲労強度を向上させ耐久性の向上を図る応力集中部位を有する部材の疲労強度強化方法として、外力作用時に応力集中が生ずるリベット孔などに、予負荷Ｐを予め加えることにより、予負荷Ｐによりリベット孔まわりのＢ部分に残留圧縮応力が残り、これにより、実際の外力作用時にリベット孔のまわりに生ずる引張応力が低減し、疲労強度が向上する方法を提案している。なお、Ｐは実際の部材に作用する最大荷重Ｐｍａｘより大きく、部材の降伏限度の荷重Ｐｙより小さい。
特開２０００−２９６７８２

しかしながら、引用文献１の発明では、予負荷Ｐを予め加える手法が不明確であり、しかも予負荷ＰをＰｍａｘ＜Ｐ＜Ｐｙの範囲に設定することが困難である。さらに，その手法においては、リベットやボルトを対象として考案されたものであり、一般的な穴や切欠き部の強化への適応性、軽量化そして強度の異方性については十分な検討がなされていない。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、断面形状が楕円状や小判状のピン、又は長円面が円弧状で短円側が平行なピンの打ち込みや加締めによって、長円部で穴内縁を部分的に加圧し塑性変形させて円形切除部を変形させ、他の領域には引っ張り作用で残留圧縮応力を生じさせるだけで、疲労寿命を延命可能とすることにある。
本発明においては、穴や切り欠き等の切除部に楕円ピン等を打ち込んで局所的に塑性変形を施して加工硬化させ、他の領域には圧縮の残留応力を発生させる。その手法は、楕円ピンの打ち込みや加締めといった簡便で応用性のある手法であり、今後の老朽化に備えて、機械構造物の長寿命化に適用できる手法である。そして、機械構造物の安全性の問題や廃棄物を少なくするという問題に関連した環境問題に対して、貢献できると考えている。
本発明は、穴等の切除部にピン材を挿入し、それを抜き取ることによる、切除部への圧縮の残留応力の付与に基づいたものである。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、図５のように、穴や切り欠きのような切除部１の内縁に、断面形状が楕円状又は小判状のピン４の打ち込み又は加締めによって、長円部による加圧力４ｐ・４ｐで加工硬化する領域11・11と引っ張り力による圧縮残留応力の領域12・12を生じさせることを特徴とする局所塑性加工による疲労寿命延命法である。
この疲労寿命延命法は、穴や切り欠きのような切除部１の内縁に、断面形状が楕円状や小判状のピン４の打ち込みや加締めによって、長円側の被加圧部やその周囲の塑性加工によって、加工硬化する領域11・11を生じさせる。また、前記の加圧力４ｐ・４ｐで引っ張り負荷が作用する短円側の領域12・12には、圧縮残留応力を生じさせる。
その結果、被加圧部11・11やその周囲は、塑性加工（変形）の効果として強度が向上し、疲労寿命が延びる。また、楕円状や小判状のピン４の短円側の穴内縁12・12は、加圧力４ｐ・４ｐによる引っ張り作用で圧縮残留応力が生じるため、強度が向上し疲労寿命が延びる。

したがって、図４のように、切除部が形成された板材の圧延方向と平行方向も垂直方向もいずれも強度が向上し、疲労寿命が改善される。
しかも、本発明の手法によると、ピンの打ち込みや加締めといった極短時間の処理作業で済み、大量処理に向いている。従って、航空機や船舶などのリベット穴やボルト穴などに適用し、断面形状が楕円状や小判状のリベットやボルトを用いることも有効である。なお、ストップホールにも適用可能である。
加締めの場合は、楕円状や小判状のピン４の長円部の外径は、切除穴１の内径と同程度か小さくてもよいが、打ち込みの場合は、穴１内径より長円径を大きくする。

請求項２は、前記のピンは打ち込んだままとするか又は抜き取ることを特徴とする請求項１に記載の局所塑性加工による疲労寿命延命法である。
このように、切除部のピンは打ち込んだままでもよいが、抜き取ってもよいので、現場や現物の状況に応じた手法を採用でき、融通が効く。

請求項３は、図９のように、前記ピンの長円部が円弧状で、短円側が互いに平行な平行ピンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の局所塑性加工による疲労寿命延命法である。
このように、平行ピン４ｃの両端が円弧状であるため、切除穴の内周との圧接面積が長くなり、加圧加工により加工硬化する領域が広くなると共に、平行面側の切除穴内周には、確実に引っ張り力が作用し、広い領域に残留応力が確実に発生可能となる。
その結果、圧延方向のいかんに係わらず、かつ広い面積において、各方向の強度が向上し、疲労寿命が長くなる。

請求項４は、図８のように、梁材のように曲げモーメント等を受ける部材の中央部等に軽量化のための穴をあけ、高い応力が発生する表面側を強化するために、所要の穴に前記の圧縮の残留応力を生じさせることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の局所塑性加工による疲労寿命延命法である。
このように、梁材のように曲げモーメントを受ける部材の中央部等に軽量化のための穴をあける場合、所要の穴に前記の圧縮の残留応力を生じさせると、高い応力が発生する表面側を強化することができるので、強度低下を来すこと無しに、梁材などの軽量化処理が可能となる。また、軽量化のための穴あけ部の強化は、引っ張りを受ける部材等にも適応可能である。

請求項１のように、穴や切り欠きのような切除部１の内縁に、断面形状が楕円状や小判状のピン４の打ち込みや加締めによって、長円側の被加圧部やその周囲の塑性加工によって、加工硬化する領域11・11を生じさせる。また、引っ張り負荷が作用する短円側の領域12・12には、圧縮残留応力を生じさせる。
その結果、被加圧部11・11やその周囲は、塑性加工（変形）の効果として強度が向上し、疲労寿命が延びる。また、楕円状や小判状のピン４の短円側の穴内縁12・12は、引っ張り負荷で圧縮残留応力が生じるため、強度が向上し疲労寿命が延びる。
しかも、本発明の手法によると、ピンの打ち込みや加締めといった極短時間の処理作業で済み、大量処理に向いている。従って、航空機や船舶などのリベット穴やボルト穴などに適用し、断面形状が楕円状や小判状のリベットやボルトを用いることも有効である。なお、ストップホールにも適用可能である。

請求項２のように、切除部のピンは打ち込んだままでもよいが、抜き取ってもよいので、現場や現物の状況に応じた手法を採用でき、融通が効く。

請求項３のように、平行ピン４ｃの両端が円弧状なため、切除穴の内周との圧接面積が長くなり、加圧加工により加工硬化する領域11、11が広くなると共に、平行面側の切除穴内周12、12には、確実に引っ張り力が作用し、広い領域に残留応力が確実に発生可能となる。その結果、圧延方向のいかんに係わらず、かつ広い面積において、各方向の強度が向上し、疲労寿命が長くなる。

請求項４のように、梁材のように曲げモーメントを受ける部材の中央部に軽量化のための穴をあける場合、所要の穴に前記の圧縮の残留応力を生じさせると、高い応力が発生する表面側を強化することができるので、強度低下を来すこと無しに、梁材などの軽量化処理が可能となる。また、軽量化のための穴あけ部の強化は、引っ張りを受ける部材等にも適応可能である。

次に本発明による局所塑性加工による切除部の疲労寿命延命法が実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は、切除部の一例として、真円の穴１を開けた試料２で、アルミニウム合金の板である。図２は、図１と同じアルミニウム合金の板２に開けた真円の穴１中に同じく真円の大径ピン３を打ち込んだ試料である。図３は、図１と同じアルミニウム合金の板２に開けた真円の穴１中に断面が楕円状の大径ピン４を打ち込んだ試料である。なお、矢印Ｌは、試料２に対する負荷の作用方向である。

図４は、前記の各試料の引張圧縮疲労試験を行った結果であり、図２の真円ピン３の外径が、穴１の内径より２％大きい例と、４％大きい例を示してある。
また、楕円状ピン４の長円径も、真円穴１の内径より２％大きい例と、４％大きい例を示してある。
図４において、横軸は引張圧縮繰り返し回数、縦軸は応力振幅である。
この試験結果から明らかなように、例えば、〇印のように、真円穴１を開けただけの試料２（図１）の場合よりも、▲印のように、２％増し径の真円ピン３を打ち込んだ穴の寿命が長く、■印のように、４％増し径の真円ピン３を打ち込んだ穴の寿命がさらに長い。

一方、楕円ピン４を打ち込んだ場合は、■印のように前記の４％増し径の真円ピン３を打ち込んだ場合より、△印のように、２％増し径の楕円ピン４を打ち込んだ穴の寿命が長い。□印のように、４％増し径の楕円ピン４を打ち込んだ穴の寿命はさらに長くなっている。
従って、矢印ａで示すように、左端の〇印つき実線の値が、右端の□印つき破線の値まで疲労寿命が改善されている。つまり、図１のように真円穴１を開けただけの試料２より、４％増し径の楕円ピン４を打ち込んだ穴の寿命が、矢印ａのように大幅に改善されていることが分かる。なお、◇印は、２％増し径の楕円ピン４の長円方向が、負荷Ｌの方向に対し直角の例である。

このように、楕円ピン４を打ち込んだ場合は、図５のように、真円穴１は、楕円ピン４の長円側が当接する部位11、11を加圧して押し広げる方向の負荷が作用し、引っ張りの残留応力が生じると共に塑性加工される。その結果、加工硬化によって強度が向上し、疲労寿命が延命される。
また、真円穴１周縁は、楕円ピン４の短円側の領域12、12には、加圧力４ｐ・４ｐによって引っ張り方向の負荷が作用する。その結果、短円側の穴内縁部位12、12には、圧縮方向の残留応力が残ることになる。
この圧縮方向の残留応力によって、楕円ピン４の長円方向の繰り返し荷重に対する疲労寿命が延命されるものと考えられる。

以上のように、穴の内周縁は、被加圧領域11、11は塑性変形され、楕円ピン４の短円側の部位12、12は残留圧縮応力が生じるので、図４の試験結果からも明らかなように、穴材２の荷重方向が圧延方向の場合も圧延方向と垂直方向の場合も疲労寿命は改善されている。すなわち、図５のように、圧延方向Ｒ１と荷重方向Ｌが一致していてもよいし、圧延方向Ｒ２に対し垂直方向に荷重Ｌが作用しても差し支えない。特に、圧延方向と垂直方向に荷重が作用する場合は疲労寿命が短くなっているので、その場合のピンの打ち込みが効果的であることは有用である。

本発明によって残留応力を生じさせる処理は、穴にき裂が発生する前に予め行なっておくことが有効であるが、１ｍｍ程度のき裂が発生してしまった場合でも有効である。ただし、引っ張り負荷の領域12、12にき裂が発生している場合は、楕円ピン４の打ち込みでき裂がますます拡大するので、き裂部を被加圧領域11、11に配置して加圧加工することになる。

本発明による加圧加工に際して、打ち込み式の楕円ピン４は、その長円を穴１の内径より大きめにする。同じ径又は小さめの場合は、穴１に挿入後に加締めて押し拡げることにより、外径を多少拡大して、穴１の内周縁11・11を加圧し、塑性変形させることになる。

図６は、本発明の方法を実施する梁材５の側面図であり、両端を支持した状態で中央に荷重を載せると、両端に図示のように曲げモーメントが作用する。すなわち、梁材５の中央の上側に圧縮力による引っ張り応力が発生し、下側に引っ張り力による圧縮応力が発生する。
従って、この梁材の破壊や破損は、下側の表面から発生する。これに対し、応力分布図のように、内部は表面側に比べて応力の値が低いので、荷重に対する負担は小さい。
そのため、図７のように、中央に穴６…を開けて、重量を軽減することが行われる。この場合、当然強度も低下するが、図８のように本発明を適用することによって、強度低下を抑制できる。
なお、梁材５の中央以外に穴６…を開けることも可能である。例えば、穴６…を２列開けると共に互い違いに配置する。

図８の各穴６…は、穴列の方向に長い楕円状のピン４を打ち込むことによって、その長円部の接する領域６１、６１が加圧圧縮されて引っ張り応力が発生し、塑性加工の効果として、強度アップして疲労寿命が延びる。また、短円部の両側の領域６２、６２が引っ張られて残留圧縮応力が生じるので、繰り返し荷重を受けた場合の疲労寿命が延命される。すなわち、材料の圧延方向と関係無しにどの方向にも疲労寿命が延び、強度低下を来すことなしに、軽量化できる。
なお、曲げモーメントに限らず、回転体のように遠心力を受ける場合や引っ張り力を受ける場合にも、穴開けによる軽量化時の疲労寿命強化が可能である。

図９は、楕円ピン４の他の実施形態である。図５の楕円ピン４の長円部の円周方向の長さは極めて短いため、被加圧領域11・11も極めて狭く、短円側の引っ張り領域12・12に充分に引っ張り力が作用しない恐れがある。これに対し、図９の平行ピン４ｃは、楕円ピン４の長円に代わって円弧になっているため、円弧の全周にわたって、真円穴１の内径より２％増し又は４％増し、というように大径の相似形になっているので、円弧の全周が被加圧部11・11と均一に圧接する。
その結果、被加圧部11・11の領域が広くなり、塑性変形する領域も広くなるので、結果的に、引っ張り領域12・12にも確実に引っ張り力が伝わり、広い領域に渡って確実に残留圧縮応力が発生する。

平行ピン４ｃは、断面が真円の線材の両側を平坦に連続的に押し潰し、圧延するだけで容易に製造できる。あるいは、断面形状が正方形や長方形の線材の両面を加圧し圧延してもよく、円形のピンの両側の端を切削、研削してもよい。
なお、図示例の被加圧領域11・11、引っ張り領域12・12は、それぞれ穴１をほぼ４等分したサイズである。

機械構造物の安全性の問題、製作手法の開発の観点から、本手法の達成は社会的にも工学的にも有益なものと考えられる。切除部の周辺に、楕円ピンの圧入で塑性変形を与えるのが本手法の特徴であるが、実際問題への適用は非常に容易である。穴等の切除部は、橋梁、船、航空機等の機械構造物の製作上、必ず加工されるものである。そして、その切除部は強度低下をもたらす要因になっているので、本発明によって、切除部の強度向上ができれば、実用上極めて有益であると思われる。しかも、簡便に機械構造物に適応できる手法であることは有益であると考えている。

切除部の一例として、真円の穴を開けた試料である。 真円穴中に同じく真円の大径ピンを打ち込んだ試料である。 真円穴中に断面が楕円形状の大径ピンを打ち込んだ試料である。 各種試料につき、引張圧縮疲労試験を行った結果である。 真円穴に大径楕円ピンを打ち込んだ場合の穴周縁に生じる残留応力を示す平面図である。 梁における曲げ応力（分布応力の発生）を示す側面図である。 図６の梁材の中央に穴列を開けて軽量化した例である。 図７の梁材の中央穴列に本発明の方法を適用することによって、強度低下を抑制した例である。 楕円ピン形状の他の実施形態である平行ピンを示す平面図である。

符号の説明

１ 真円の穴
２ 試料板
３ 真円の大径ピン
４ 断面が楕円形状の大径ピン
４ｃ 長円側が円弧状の平行ピン
11 大径楕円ピンの長円側が当接する部位
12・12 大径楕円ピンの短円側の穴周縁
５ 梁材
６ 穴
61・61 大径楕円ピンの長円側が当接する部位
62・62 大径楕円ピンの短円部の両側の領域

Claims (4)

1. 穴や切り欠きのような切除部の内縁に、断面形状が楕円状又は小判状のピンの打ち込み又は加締めによって、長円部による加圧力で加工硬化する領域と引っ張り力による圧縮残留応力の領域を生じさせることを特徴とする局所塑性加工による疲労寿命延命法。
2. 前記のピンは打ち込んだままとするか又は抜き取ることを特徴とする請求項１に記載の局所塑性加工による疲労寿命延命法。
3. 前記ピンの長円部が円弧状で、短円側が互いに平行な平行ピンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の局所塑性加工による疲労寿命延命法。
4. 梁材のように曲げモーメント等を受ける部材の中央部等に軽量化のための穴をあけ、高い応力が発生する表面側を強化するために、所要の穴に前記の圧縮の残留応力を生じさせることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の局所塑性加工による疲労寿命延命法。

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