JP2010271248A - 超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の課題は、試験片が破断することなく超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、試験片1を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を試験片1に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小なマーカ14(印)及び平坦面15を試験片1に設けたことと、試験片の上下軸部半径R2と括れ部の最小半径R1の比R2/R1が1.5〜2.6の範囲で設定されたことを特徴とする。
【選択図】図2
【解決手段】本発明は、試験片1を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を試験片1に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小なマーカ14(印)及び平坦面15を試験片1に設けたことと、試験片の上下軸部半径R2と括れ部の最小半径R1の比R2/R1が1.5〜2.6の範囲で設定されたことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
本発明は、超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法に関する。
近年、108回を超える繰返し負荷による疲労破壊の事例が多く報告されている。このような超高サイクル疲労特性を従来の機械式の疲労試験装置(100Hz程度)を使用して求めようとすると、試験所要時間(期間)が10日を超え、数ヶ月に及ぶものさえある。
従来、試験所要時間の短縮化を図るために、超音波式の引張り圧縮疲労試験装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この超音波式の引張り圧縮疲労試験装置は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行うものであり、その早い繰返し速度を利用して試験所要時間を短縮することができる。
従来、試験所要時間の短縮化を図るために、超音波式の引張り圧縮疲労試験装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この超音波式の引張り圧縮疲労試験装置は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行うものであり、その早い繰返し速度を利用して試験所要時間を短縮することができる。
ところが、従来の引張り圧縮疲労試験装置(例えば、特許文献1参照)では、試験片の軸方向に繰返し負荷が加えられた際に、応力が軸方向に垂直な面内で均等に発生する。したがって、例えば表面硬化処理を施した金属材料の疲労特性を求めようとすると、硬度の低い内部から疲労破壊が始まった後に、硬度が高い表面層では破壊が一気に進行して試料片が破断する。そのために、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験装置では表面硬化処理を施した金属材料の疲労特性を精度よく求めることが困難であった。
したがって、表面硬化処理を施した金属材料の超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる疲労試験技術が望まれている。
したがって、表面硬化処理を施した金属材料の超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる疲労試験技術が望まれている。
そこで、本発明の課題は、表面硬化処理を施した金属材料の超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法を提供することにある。
前記課題を解決した本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小な印を前記試験片に設けたことを特徴とする。
また、本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための平坦面を前記試験片に設けたことを特徴とする。
また、本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを前記試験片に設けたことを特徴とする。
また、本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、前記試験片の上下軸部半径R2と括れ部の最小半径R1の比R2/R1が1.5〜2.6の範囲で設定されたことを特徴とする。
そして、前記課題を解決した本発明の超音波ねじり疲労試験方法は、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を試験片に付与する超音波ねじり疲労試験方法であって、ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを設けた前記試験片を準備する工程と、前記試験片の共振時における前記試験片の微小な前記印の振動幅に基づいて前記試験片のねじり角を検出する工程と、前記平坦面と向き合う位置に配置したギャップセンサからの出力値をモニタリングして前記出力値の変化量が一定値以上となった際に前記試験片に亀裂が発生したと判断する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法においては、共振する試験片に設けた印の振動幅に基づいて試験片のねじり角(θt)を検出すると共に、共振する試験片の平坦面とこの平坦面と向き合う任意の位置との距離を検出することで試験片の共振周波数(ft)を求める。そして、本発明は、求めた共振周波数(ft)やねじり角(θt)と、それぞれの初期値(f0,θ0)との差、つまり共振周波数の変化量(Δf)やねじり角の変化量(Δθ)が予め設定した閾値以上となったときに試験片に亀裂が発生したと判断して試験工程を終了する。その結果、本発明によれば、試験片が破断する前に試験片の疲労特性を精度よく求めることができる。
また、本発明の超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法においては、超音波振動子によって試験片を共振させて試験片に繰返しねじり振動を付与するので、その早い繰返し速度によって、従来の機械式のねじり疲労試験装置及びそれを使用したねじり疲労試験方法よりも試験所要時間を短縮することができる。
また、本発明の超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法では、共振する試験片の共振周波数(ft)やねじり角(θt)を非接触で検出することができる。したがって、本発明によれば、例えば試験片に接触させたセンサ(歪みゲージ等)で歪みを検出して疲労特性を求めるものと異なって、センサの寿命が一段と延びる。
本発明によれば、試験片が破断することなく超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法を提供することができる。
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、上下方向は本実施形態に係る超音波ねじり疲労試験システムを通常の使用状態で水平面に配置した際に、その鉛直方向に一致させた図1に示す上下方向を基準としている。
図1に示すように、本実施形態に係る超音波ねじり疲労試験システムS(以下、単に「疲労試験システムS」ということがある)は、発信部3が発信する信号に応じて超音波を発振する超音波振動子2と、この超音波振動子2に取り付けられて共振する試験片1のねじり角(θt)を検出するねじり角検出手段5と、共振する試験片1の共振周波数(ft)を検出する共振周波数検出手段4と、発信部3のオンオフのタイミングを後記する所定の手順で制御する制御部6とを備えている。
この疲労試験システムSは、後記するように、共振する試験片1における共振周波数の変化量Δf(|f0−ft|)が所定の値(閾値)以上となったときに、又はねじり角の変化量Δθ(|θ0−θt|)が所定の値(閾値)以上となったときに、制御部6が試験片1に所定の大きさの亀裂が生じたと判断するように構成されていることを主な特徴とする。
なお、f0は、試験片1の共振周波数(ft)の初期値(t=0のときの値)であり、θ0は、試験片1のねじり角(θt)の初期値(t=0のときの値)である。
なお、f0は、試験片1の共振周波数(ft)の初期値(t=0のときの値)であり、θ0は、試験片1のねじり角(θt)の初期値(t=0のときの値)である。
前記発信部3は、信号発信器31と増幅器32とを備えている。信号発信器31は、定振幅正弦波からなる電圧を発生し、その電圧の周波数及び振幅が調節可能となっている。この発信部3のオンオフは、後記する制御部6からの指令によって行われる。増幅器32は、信号発信器31の出力を増幅して次に説明する超音波振動子2の圧電アクチュエータ21に入力するようになっている。
前記超音波振動子2は、圧電アクチュエータ21とホーン22とを備えている。圧電アクチュエータ21は、発信部3が発信する信号に応じて駆動し、所定周波数(f0)の正弦波からなる超音波振動を発生するようになっている。
ホーン22は、圧電アクチュエータ21の下部に取り付けられて、圧電アクチュエータ21が発生する超音波振動の振幅を増大させると共に、増幅した超音波振動を試験片1に伝えて試験片1を共振させるものである。ホーン22は、例えば二段複合コニカル型の振幅拡大ホーンを用いることができる。このホーン22は、図示しないジョイント部を介して試験片1を取り付けると共に、試験片1の軸16周り(図3(a)参照)に繰返しねじり振動を付与するように試験片1を共振させる。
このような超音波振動子2が発振する超音波振動の周波数(f0)は、試験片1の材質に応じて適宜に設定することができるが、例えばヤング率が200GPa±10%の鉄鋼材料を試験片1とする場合には、14000Hz〜22000Hz程度に設定することが望ましい。以下において、この周波数(f0)は入力周波数(f0)ということがある。
また、超音波振動によって試験片1に負荷する繰返しねじり振動は、試験片1の材質に応じて適宜に設定することができるが、例えばヤング率が200GPa±10%の鉄鋼材料を試験片1とする場合には、最大せん断応力(τ)が500MPa以上となるように設定することが、表面硬化処理を施した鉄鋼材料の試験では望ましい。
また、超音波振動によって試験片1に負荷する繰返しねじり振動は、試験片1の材質に応じて適宜に設定することができるが、例えばヤング率が200GPa±10%の鉄鋼材料を試験片1とする場合には、最大せん断応力(τ)が500MPa以上となるように設定することが、表面硬化処理を施した鉄鋼材料の試験では望ましい。
次に、疲労試験システムSを構成する試験片1について説明する。
試験片1は、図2に示すように、上下に長い略円柱形状の部材であって、上下方向の長さがL1の上側軸部11a及び下側軸部11bと、上側軸部11aと下側軸部11bとの間に設けられて長さが2・L2の括れ部11cとを備えている。そして、括れ部11cは、上側軸部11a側から下方に向かうにつれて徐々に縮径してその中央部で最小径となった後に、下側軸部11b側に向かうにつれて徐々に拡径している。上側軸部11a、括れ部11c及び下側軸部11bは、括れ部11cの中央部を境にして上下で対照形状となっている。
このような試験片1は、上側軸部11a及び下側軸部11bの半径をR2とし、括れ部11cの最小半径をR1とすると、R1に対するR2の比(R2/R1比)が後記する範囲内(1.5〜2.5)となる試験片1が望ましい。ちなみに、上側軸部11aに設けられた支持部13は、超音波振動子2のホーン22(図1参照)に取り付けられて試験片1を支持するものである。支持する形態は、支持部13を雄ネジとし、結合するホーン22の側を雌ネジとするものであってもよいし、又はそれらを逆にしたものでもかまわない。
試験片1は、図2に示すように、上下に長い略円柱形状の部材であって、上下方向の長さがL1の上側軸部11a及び下側軸部11bと、上側軸部11aと下側軸部11bとの間に設けられて長さが2・L2の括れ部11cとを備えている。そして、括れ部11cは、上側軸部11a側から下方に向かうにつれて徐々に縮径してその中央部で最小径となった後に、下側軸部11b側に向かうにつれて徐々に拡径している。上側軸部11a、括れ部11c及び下側軸部11bは、括れ部11cの中央部を境にして上下で対照形状となっている。
このような試験片1は、上側軸部11a及び下側軸部11bの半径をR2とし、括れ部11cの最小半径をR1とすると、R1に対するR2の比(R2/R1比)が後記する範囲内(1.5〜2.5)となる試験片1が望ましい。ちなみに、上側軸部11aに設けられた支持部13は、超音波振動子2のホーン22(図1参照)に取り付けられて試験片1を支持するものである。支持する形態は、支持部13を雄ネジとし、結合するホーン22の側を雌ネジとするものであってもよいし、又はそれらを逆にしたものでもかまわない。
上側軸部11aの周面には、マーカ14が設けられると共に、下側軸部11bには平坦面15が形成されている。マーカ14は、特許請求の範囲にいう「ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小な印」に相当し、平坦面15は、特許請求の範囲にいう「ねじり角検出及び亀裂発生検出のための平坦面」に相当する。
本実施形態でのマーカ14は、試験片1の周面の任意の位置(例えば周面上の所定ポイント)を撮像によって特定できるものであれば特に制限はなく、塗料や切片を試験片1の周面に付着して形成したものや、試験片1の周面自体を部分的に凹ませて、又は突出させて形成したものであってもよい。ちなみに、試験片1を凹ませて又は突出させてマーカ14を形成する場合には、マーカ14の凹凸の直径及び深さ(高さ)はそれぞれ0.1mm以下とするのが望ましい。
また、マーカ14の形状は、後記するように、試験片1が共振した際のマーカ14の振れ幅が測定できれば、ドット状、線状、その他の形状のいずれであってもよい。ちなみに、本実施形態でのマーカ14は、図2に示すように、ドット状に塗布された塗料で形成されて、平面視で微小な矩形となっている。
また、マーカ14の形状は、後記するように、試験片1が共振した際のマーカ14の振れ幅が測定できれば、ドット状、線状、その他の形状のいずれであってもよい。ちなみに、本実施形態でのマーカ14は、図2に示すように、ドット状に塗布された塗料で形成されて、平面視で微小な矩形となっている。
このマーカ14は、図3(a)及び(b)に示すように、超音波振動子2(図1参照)が発振する超音波振動によって試験片1が軸16周りに所定のねじり角(θt)で左右交互に回動するようにして共振する際に、後記するマイクロスコープ5a(図1参照)を介して撮像されるマーカ14は、中心角2θtに対応する上側軸部11aの周面の円弧長で残像として観察される。つまり、上側軸部11aの側面視では、前記円弧長は、長さuの線分として観察される。この長さuは特許請求の範囲にいう「印の振動幅」に相当する。
そして、ねじり角(θt)は微小角度であるので、ねじり角(θt)はu/(2・R2)として近似的に求められる。なお、R2は、図2に示す上側軸部11aの半径である。
このようにマーカ14の振動幅である長さuに基づいて得られた試験片1のねじり角(θt)は、後記するように、試験片1の表面に亀裂が発生したことを検出するため使用される。
このようにマーカ14の振動幅である長さuに基づいて得られた試験片1のねじり角(θt)は、後記するように、試験片1の表面に亀裂が発生したことを検出するため使用される。
本実施形態での平坦面15は、図2に示すように、下側軸部11bの周面を切削加工して形成したものであり、試験片1の軸方向(図2の上下方向)に沿うように形成されている。そして、この平坦面15には、図4(a)に示すように、後記するギャップセンサ4aが向き合う位置に配置される。更に詳しく説明すると、超音波振動子2(図1参照)が発振する超音波振動によって試験片1が軸16周りに左右交互に回動するようにして共振する際に、ギャップセンサ4aは、平坦面15のエッジ部15aとの距離の変動差Dを検出する。そして、ギャップセンサ4aと平坦面15(エッジ部15a)との距離の単位時間当りにおける変動回数(変動差Dの往復回数)を求めることによって、試験片1の共振周波数(ft)を演算することができる。
本実施形態での平坦面15は、前記したように、下側軸部11bの周面を切削加工して形成したものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図4(b)に示すように、下側軸部11bに切片等の別部材17を取り付けて平坦面15を形成してもよい。また、その位置を上側軸部11aに設けてもよい。
そして、本実施形態での試験片1の形状は、超音波振動子2(図1参照)の出力を最大限に生かして効率よく共振することで大きなねじり角(θt)を発生するように設計されることが望ましい。このような形状の試験片1は、所定の理論式に基づいた計算結果から決定することもできるが、理論式で試験片1の形状を決定しようとすると、理論式の入力条件が無限に設定できるので、実際の疲労試験にそぐわないものとなる場合がある。また、決定した試験片1の形状をCAE(Computer Aided Engineering)解析や経験側に基づいて再調整する必要もある。
本発明者らは、試験片1の体積(質量)と、疲労試験時に試験片1に発生させる最大せん断応力(τ)との関係について検討した結果、試験片1の体積(質量)を最小化すると共に、最大せん断応力(τ)を最大化するような括れ部11cの最小半径R1と上側軸部11a及び下側軸部11bの半径R2との関係を見出した。言い換えれば、超音波振動子2(図1参照)の出力を最大限に生かして効率よく共振する試験片1においては、最大せん断応力(τ)が大きくなるほどR2/R1比が収束することを見出した。
本発明者らは、括れ部11cの最小半径R1が1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、及び3.0mmであるそれぞれの試験片1について、体積と最大せん断応力との関係を理論計算式によって求めた。ちなみに、試験片1はヤング率が200GPa±10%の鉄鋼材料のものを使用し、入力周波数(f0)は、14000Hz〜22000Hz程度に設定した。その結果を示す図5は、試験片の体積V(m3)と最大せん断応力τ(MPa)との関係を表したグラフである。なお、図5中、R1minは前記した最小半径R1を表している。
ちなみに、図5に示すように、試験片1の体積が小さいほど、そして最大せん断応力(τ)が大きいほど、言い換えれば、矢印の「良」方向寄りとなるほど試験片1は望ましいものとなる。つまり、試験片1は、超音波振動子2(図1参照)の出力を最大限に生かして効率よく共振するものとなる。
図5のグラフで符号51は、最小半径R1が3.0mm(図5中、R1min=3mm)である試験片1の最大せん断応力と体積の関係における変曲点である。
ちなみに、図5に示すように、試験片1の体積が小さいほど、そして最大せん断応力(τ)が大きいほど、言い換えれば、矢印の「良」方向寄りとなるほど試験片1は望ましいものとなる。つまり、試験片1は、超音波振動子2(図1参照)の出力を最大限に生かして効率よく共振するものとなる。
図5のグラフで符号51は、最小半径R1が3.0mm(図5中、R1min=3mm)である試験片1の最大せん断応力と体積の関係における変曲点である。
次に、本発明者らは、このような試験片1において、R2/R1比と最大せん断応力τ(MPa)との関係を求めた。図6はR2/R1比と最大せん断応力τ(MPa)との関係を示すグラフである。
図6のグラフで符号62は、最小半径R1が1.0mm(図6中、R1min=1mm)である試験片1の最大せん断応力とR2/R1比の関係における変曲点である。
図5における変曲点51は図6における変曲点61と同条件での計算結果であり、同様に図5における変曲点52は図6における変曲点62と同条件での計算結果である。
図6のグラフで符号62は、最小半径R1が1.0mm(図6中、R1min=1mm)である試験片1の最大せん断応力とR2/R1比の関係における変曲点である。
図5における変曲点51は図6における変曲点61と同条件での計算結果であり、同様に図5における変曲点52は図6における変曲点62と同条件での計算結果である。
図6中の網掛け部Aに示すように、最大せん断応力τが増大するに従って、R2/R1比は約2.0に収束していく。又、図6の変曲点61は、図5の変曲点51に対応するため、この点より最大せん断応力の高い側は、体積が急に増加することになって超音波振動子2の出力が足りなくなることも考えられる。つまり試験片1の設定としては良くない。同様に、図6の変曲点62は、最大せん断応力とR2/R1比の関係が急な変化をするため、計算の諸条件と実物のわずかなズレによって計算上の最大せん断応力が発生できない恐れがある。したがって、試験片1に生じる最大せん断応力(τ)は、R2/R1比を1.5以上、2.6以下に設定することで全てのせん断応力域での試験を行うことができる。
以上のことから、本発明の疲労試験システムSで使用する試験片1としては、R1が1mm以上のものであって、R2/R1比が1.5以上、2.6以下のものが望ましいことが判明した。
以上のことから、本発明の疲労試験システムSで使用する試験片1としては、R1が1mm以上のものであって、R2/R1比が1.5以上、2.6以下のものが望ましいことが判明した。
本実施形態での前記ねじり角検出手段5は、図1に示すように、マイクロスコープ5aを備えて構成されている。
マイクロスコープ5aは、試験片1のマーカ14(図2参照)と向き合うように配置され、マーカ14を撮像した撮像信号を出力するものである。後記する制御部6は、この撮像信号に基づいてねじり角の変化量Δθを演算することになる。
なお、図1中、符号5bはマイクロスコープ5aが出力した撮像信号に基づいてマーカ14の残像を映し出すモニタである。
マイクロスコープ5aは、試験片1のマーカ14(図2参照)と向き合うように配置され、マーカ14を撮像した撮像信号を出力するものである。後記する制御部6は、この撮像信号に基づいてねじり角の変化量Δθを演算することになる。
なお、図1中、符号5bはマイクロスコープ5aが出力した撮像信号に基づいてマーカ14の残像を映し出すモニタである。
本実施形態での前記共振周波数検出手段4は、図1に示すように、ギャップセンサ4aを備えて構成されている。
ギャップセンサ4aは、前記したように、試験片1の平坦面15のエッジ部15a(図4(a)参照)と向き合うように配置され、平坦面15(エッジ部15a)との距離を検出した距離信号を出力するものである。後記する制御部6は、この距離信号に基づいて共振周波数の変化量Δfを演算することになる。
なお、図1中、符号4bはギャップセンサ4aが出力した距離信号に基づいて共振周波数(ft)の波形を映し出すオシロスコープである。
ギャップセンサ4aは、前記したように、試験片1の平坦面15のエッジ部15a(図4(a)参照)と向き合うように配置され、平坦面15(エッジ部15a)との距離を検出した距離信号を出力するものである。後記する制御部6は、この距離信号に基づいて共振周波数の変化量Δfを演算することになる。
なお、図1中、符号4bはギャップセンサ4aが出力した距離信号に基づいて共振周波数(ft)の波形を映し出すオシロスコープである。
本実施形態での前記制御部6は、マイクロスコープ5a及びギャップセンサ4aと共にねじり角検出手段5及び共振周波数検出手段4を構成しており、共振する試験片1のねじり角(θt)及び共振周波数(ft)を演算する。更に詳しく説明すると、制御部6は、格納された画像解析ソフトによって、マイクロスコープ5aが出力した撮像信号に基づいてマーカ14の残像として観察される線分の長さu(図3(a)及び(b)参照)を演算し、この長さuに基づいて図3(a)及び(b)に示すねじり角(θt)を演算するように構成されている。
また、制御部6は、格納された変位解析ソフトによって、ギャップセンサ4aが出力した距離信号に基づいて、単位時間当りにおける変動差D(図4(a)参照)の往復回数を求めて、試験片1の共振周波数(ft)を演算するように構成されている。
また、制御部は、演算したこれらのねじり角(θt)及び共振周波数(ft)に基づいて、後記する手順で超音波振動子2(発信部3)のオンオフのタイミングを制御するように構成されている。
このような制御部6は、例えばCPU、ROM、RAM、電子回路等を含んで構成することができる。
また、制御部6は、格納された変位解析ソフトによって、ギャップセンサ4aが出力した距離信号に基づいて、単位時間当りにおける変動差D(図4(a)参照)の往復回数を求めて、試験片1の共振周波数(ft)を演算するように構成されている。
また、制御部は、演算したこれらのねじり角(θt)及び共振周波数(ft)に基づいて、後記する手順で超音波振動子2(発信部3)のオンオフのタイミングを制御するように構成されている。
このような制御部6は、例えばCPU、ROM、RAM、電子回路等を含んで構成することができる。
次に、本実施形態に係る疲労試験システムSの動作について説明しつつ、この疲労試験システムSを使用した超音波ねじり疲労試験方法(以下、単に「疲労試験方法」ということがある)について説明する。
図1に示すように、ホーン22に試験片1が取り付けられて疲労試験システムSが構成される。この試験片1には、前記したように、マーカ14及び平坦面15(図2参照)が設けられている。
この疲労試験システムSにおいては、制御部6の指令によってオンとなった発信部3は、信号発信器31が出力した定振幅正弦波からなる電圧を増幅器32が増幅して超音波振動子2の圧電アクチュエータ21に入力する。その結果、圧電アクチュエータ21は所定周波数(f0)の正弦波からなる超音波ねじり振動を発生し、この超音波ねじり振動はホーン22を介して増幅されて試験片1に伝播する。
超音波ねじり振動が伝播した試験片1は、共振して軸16周りに繰返しねじり振動が付与される。
そして、共振する試験片1は、図7(a)に示すように、括れ部11cの中央部における周面10aに応力が集中し、軸心部10bには応力が殆ど発生しない。
ところが、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験装置(例えば、特許文献1参照)では、図7(b)に示すように、括れ部11cの中央部の全体に亘って均等に応力が集中する。つまり、応力が所定値を超えると括れ部11cが中央部断面内の任意の箇所を起点として破断する。
そして、共振する試験片1は、図7(a)に示すように、括れ部11cの中央部における周面10aに応力が集中し、軸心部10bには応力が殆ど発生しない。
ところが、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験装置(例えば、特許文献1参照)では、図7(b)に示すように、括れ部11cの中央部の全体に亘って均等に応力が集中する。つまり、応力が所定値を超えると括れ部11cが中央部断面内の任意の箇所を起点として破断する。
これに対して、本実施形態の疲労試験システムSにおいては、括れ部11cの中央部における周面10aに亀裂が生じ始める。
そして、本発明者らは、括れ部11cの周面10aに亀裂が生じ始めてからその亀裂が徐々に大きくなって試験片1が破断するまでの間に、その亀裂の大きさに応じて共振周波数の変化量(Δf)が所定の増加率で徐々に大きくなっていくことをCAE解析により見出した。
更に具体的に説明すると、図8に示すように、亀裂の面積(図8の左縦軸)が大きくなるほど、そして亀裂の幅及び深さ(図8の右縦軸)が大きくなるほど、試験片1の共振周波数の変化量Δfは所定の増加率で徐々に大きくなっている。
そして、本発明者らは、括れ部11cの周面10aに亀裂が生じ始めてからその亀裂が徐々に大きくなって試験片1が破断するまでの間に、その亀裂の大きさに応じて共振周波数の変化量(Δf)が所定の増加率で徐々に大きくなっていくことをCAE解析により見出した。
更に具体的に説明すると、図8に示すように、亀裂の面積(図8の左縦軸)が大きくなるほど、そして亀裂の幅及び深さ(図8の右縦軸)が大きくなるほど、試験片1の共振周波数の変化量Δfは所定の増加率で徐々に大きくなっている。
つまり、本実施形態の疲労試験システムS(疲労試験方法)においては、前記したように、共振する試験片1における共振周波数の変化量Δfが所定の値(後記する閾値α)以上となったときに、制御部6が試験片1に所定の大きさの亀裂が生じたと判断し、試験片1が破断する前に疲労試験を終了するものである。又はねじり角の変化量Δθが所定の値(後記する閾値β)以上となったときに、制御部6が試験片1に所定の大きさの亀裂が生じた若しくは試験に異常が生じたと判断し、疲労試験を終了するものである。
この疲労試験システムS(疲労試験方法)においては、共振周波数の変化量Δf及びねじり角の変化量Δθを求めるに際に、先ずギャップセンサ4aは、平坦面15(エッジ部15a)との距離を検出した距離信号を出力し、マイクロスコープ5aは、マーカ14を撮像した撮像信号を出力する。
これらの距離信号及び撮像信号を入力した制御部6は、前記したように、距離信号に基づいて試験片1の共振周波数(ft)を演算すると共に、撮像信号に基づいて試験片1のねじり角(θt)を演算する。
これらの距離信号及び撮像信号を入力した制御部6は、前記したように、距離信号に基づいて試験片1の共振周波数(ft)を演算すると共に、撮像信号に基づいて試験片1のねじり角(θt)を演算する。
そして、制御部6は、図9に示すように、試験片1の共振周波数の変化量Δfを演算し(ステップS1)、試験片1のねじり角の変化量Δθを演算する(ステップS2)。
ちなみに、共振周波数の変化量Δfは、ギャップセンサ4aから出力された距離信号に基づいて演算された共振周波数(ft)と、初期の入力周波数(f0)との差の絶対値(|f0−ft|)に等しい。また、ねじり角の変化量Δθは、マイクロスコープ5aから出力された撮像信号に基づいて演算されたねじり角(θt)と、初期のねじり角(θ0)との差の絶対値(|θ0−θt|)に等しい。そして、入力周波数(f0)及びねじり角(θ0)は、この疲労試験システムSの起動時における共振周波数(ft)及びねじり角(θt)に等しい。
なお、試験片1に亀裂が生じ始めるとf0>ftとなるが、このことは試験片1に発生した亀裂によって断面の剛性と断面積の対称性が変化することによって共振周波数が低下するものと考えられる。
また、試験片1に亀裂が生じ始めるとθ0<θtとなるが、このことは試験片1に発生した亀裂によって断面の剛性が小さくなることによってねじり角が増大するものと考えられる。
ちなみに、共振周波数の変化量Δfは、ギャップセンサ4aから出力された距離信号に基づいて演算された共振周波数(ft)と、初期の入力周波数(f0)との差の絶対値(|f0−ft|)に等しい。また、ねじり角の変化量Δθは、マイクロスコープ5aから出力された撮像信号に基づいて演算されたねじり角(θt)と、初期のねじり角(θ0)との差の絶対値(|θ0−θt|)に等しい。そして、入力周波数(f0)及びねじり角(θ0)は、この疲労試験システムSの起動時における共振周波数(ft)及びねじり角(θt)に等しい。
なお、試験片1に亀裂が生じ始めるとf0>ftとなるが、このことは試験片1に発生した亀裂によって断面の剛性と断面積の対称性が変化することによって共振周波数が低下するものと考えられる。
また、試験片1に亀裂が生じ始めるとθ0<θtとなるが、このことは試験片1に発生した亀裂によって断面の剛性が小さくなることによってねじり角が増大するものと考えられる。
次に、制御部6は、共振周波数の変化量Δfがα(閾値)以上か否か、又はねじり角の変化量Δθがβ(閾値)以上か否かを判断する(ステップS3)。
ちなみに、αは10Hz以上の範囲で設定することが望ましい。また、αは入力周波数(f0)の1%以下の範囲で設定することが望ましい。
また、βは試験精度を保障する意味から、初期ねじり角(θ0)の5%以下の範囲で設定することが望ましい。
ちなみに、αは10Hz以上の範囲で設定することが望ましい。また、αは入力周波数(f0)の1%以下の範囲で設定することが望ましい。
また、βは試験精度を保障する意味から、初期ねじり角(θ0)の5%以下の範囲で設定することが望ましい。
そして、制御部6は、共振周波数の変化量Δfがα(閾値)未満であり、かつねじり角の変化量Δθがβ(閾値)未満である場合には(ステップS3のNo)、ステップS1に戻る。また、制御部6は、共振周波数の変化量Δfがα(閾値)以上であるか、又はねじり角の変化量Δθがβ(閾値)以上である場合には(ステップS3のYes)、試験片1に所定の大きさの亀裂が生じた、若しくは試験に異常が生じたと判断してこの試験工程を終了させる(ステップS4)。つまり、制御部6は超音波振動子2の発信部3をオフにする指令を出力し、発信部3をオフにすることで超音波振動子2の超音波ねじり振動の発振を停止する。
本実施形態に係るねじり疲労試験システムS及びねじり疲労試験方法によれば、超音波振動子2によって試験片1を共振させて試験片1に繰返しねじり振動を付与するので、その早い繰返し速度によって、従来の機械式のねじり疲労試験装置及びそれを使用したねじり疲労試験方法よりも試験所要時間を短縮することができる。したがって、いわゆるギガサイクルを超えるものについても、精度の高いS−N図を短時間で作成することができる。
また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムS及びねじり疲労試験方法によれば、共振する試験片1の共振周波数の変化量(Δf)、及びねじり角の変化量(Δθ)が予め設定した閾値以上となったときに試験片に亀裂が発生したと判断して試験工程を終了するので、試験片1が破断する前に試験片1の疲労特性を精度よく求めることができる。特に、表面に硬化処理を施した試験片1のねじり疲労試験では、試験片1が破断することなく、試験片1の表面部分(硬化処理部分)にのみ亀裂を形成することができるので、硬化処理された試験片1の疲労特性を精度よく求めることができる。
また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムS及びねじり疲労試験方法によれば、試験片1に亀裂が発生した後に余剰の繰り返し応力を与えることなく疲労試験を停止することができるので、発生した亀裂等が余剰の繰り返し応力で潰れることが防止できる。そのため、発生した亀裂等の状態を容易に精度よく観察することができる。
また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムS及びねじり疲労試験方法によれば、疲労試験中は常に試験片1の共振周波数(ft)やねじり角(θt)を検出することができるので、検出したこれらに基づいて試験が正常に進行しているか否かを早期に見極めることができる。その結果、正常で適正な試験が行われていない場合には、直ちに疲労試験を停止することもできる。
また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムS及びねじり疲労試験方法によれば、括れ部11cの最小半径R1に対する上側軸部11a及び下側軸部11bの半径R2の比(R2/R1比)が1.5以上、2.5以下の試験片1を使用することによって、効率よく試験片1を共振させることができるので、試験片1の作製に煩雑な経験則を必要とせずに簡単に試験片1の形状を求めることができる。
また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムS及びねじり疲労試験方法によれば、共振する試験片1の共振周波数(ft)やねじり角(θt)を非接触で検出するので、例えば試験片1に接触させたセンサ(歪みゲージ等)で歪みを検出して疲労特性を求めるものと異なって、センサの寿命が一段と延びる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態に係るねじり疲労試験システムSでは、マーカ14をマイクロスコープで撮像することで試験片1のねじり角(θt)を検出しているが、本発明はギャップセンサ4aで検出した変動差D(図4(a)参照)等の、試験片1における任意の位置の変位に基づいてねじり角(θt)を検出してもよい。
前記実施形態に係るねじり疲労試験システムSでは、マーカ14をマイクロスコープで撮像することで試験片1のねじり角(θt)を検出しているが、本発明はギャップセンサ4aで検出した変動差D(図4(a)参照)等の、試験片1における任意の位置の変位に基づいてねじり角(θt)を検出してもよい。
また、前記実施形態に係るねじり疲労試験システムSは、検出した前記ねじり角(θt)に基づいて、試験片1に生じるせん断応力(最大せん断応力)を演算するように構成されたものであってもよい。このような疲労試験システムSは、予めねじり角(θt)とせん断応力(最大せん断応力)との関係をシミュレーション試験で求めておき、この関係を示す関数やマップ等に基づいて制御部6がせん断応力(最大せん断応力)を演算するように構成することができる。
次に、実施例を示しながら本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例1)
この実施例1では、クロムモリブデン鋼(SCM420H)製の図2に示す試験片1を作製した。この試験片1は、L1が8.8mm、L2が4.6mm、R1が2.0mm、R2が5.0mm、R2/R1比が2.5であった。
そして、この試験片1には、有効浸炭層の深さが約1mmとなるように試験片にガス浸炭処理を施した。
(実施例1)
この実施例1では、クロムモリブデン鋼(SCM420H)製の図2に示す試験片1を作製した。この試験片1は、L1が8.8mm、L2が4.6mm、R1が2.0mm、R2が5.0mm、R2/R1比が2.5であった。
そして、この試験片1には、有効浸炭層の深さが約1mmとなるように試験片にガス浸炭処理を施した。
次に、図1に示すねじり疲労試験システムSと同様にこの試験片1を取り付けてねじり疲労試験を行った。試験片1に対する入力周波数(f0)は、約17600Hzに設定し、共振周波数の変化量Δfの閾値αは10Hzに設定した。その結果を図10に示す。
ちなみに、図10の横軸のサイクル数は、試験片1の共振周波数の変化量Δfが閾値α以上となって、試験片1に所定の大きさの亀裂が発生したと判断した際の繰り返し回数である。図10の縦軸の疲労強度は、試験初期の試験片1のねじり角(θ0)から求めた試験片1の最大せん断応力(MPa)である。
ちなみに、図10の横軸のサイクル数は、試験片1の共振周波数の変化量Δfが閾値α以上となって、試験片1に所定の大きさの亀裂が発生したと判断した際の繰り返し回数である。図10の縦軸の疲労強度は、試験初期の試験片1のねじり角(θ0)から求めた試験片1の最大せん断応力(MPa)である。
また、試験片1の共振周波数の変化量Δfが閾値α以上となって、疲労試験を終了した際の試験片1の電子顕微鏡写真を図11(a)及び(b)に示す。図11(a)は、試験片の表面に発生した亀裂の様子を示す電子顕微鏡写真である。図11(b)は、試験片の内部に発生した亀裂の様子を示す電子顕微鏡写真である。
図11(a)に示すように、試験片1の表面には、短い初期亀裂が軸直交方向に入った後、軸方向に対して略45°をなす方向へ亀裂が進展していることが観察された。
そして、図11(b)に示すように、表面に発生した亀裂は、試験片1の内部の符号30で示す位置で止まっていることが確認された。
なお、本実施例1では、試験開始から繰り返し回数が10の9乗回に達するまでの時間は、約48時間であった。
図11(a)に示すように、試験片1の表面には、短い初期亀裂が軸直交方向に入った後、軸方向に対して略45°をなす方向へ亀裂が進展していることが観察された。
そして、図11(b)に示すように、表面に発生した亀裂は、試験片1の内部の符号30で示す位置で止まっていることが確認された。
なお、本実施例1では、試験開始から繰り返し回数が10の9乗回に達するまでの時間は、約48時間であった。
(実施例2)
この実施例2では、ガス浸炭処理を行っていない以外は実施例1と同様の試験片1を使用し、実施例1と同様にねじり疲労試験を行った。その結果を図10に示す。
この実施例2では、ガス浸炭処理を行っていない以外は実施例1と同様の試験片1を使用し、実施例1と同様にねじり疲労試験を行った。その結果を図10に示す。
(比較例1)
この比較例1では、材料とガス浸炭処理については実施例1と同様の試験片1を使用して、超音波式の引張り圧縮疲労試験を行った。この引張り圧縮疲労試験では、試験片1の軸方向に超音波振動による引張り圧縮負荷が加えられた。この引張り圧縮疲労試験では、試験片1に対する入力周波数(f0)が、約20200Hzに設定された。その結果を図10に示す。
ちなみに、図10の横軸のサイクル数は、試験片1が破断した際の繰り返し回数である。図10の縦軸の疲労強度は、試験初期の試験片1に負荷された引張り圧縮応力(MPa)である。
また、試験片1の破断面の電子顕微鏡写真を図11(c)に示す。
図11(c)に示すように、試験片1の内部には試験片の軸周りにストライエーションが観察されたことから、浸炭層内部より破断が始まったことがわかる。また、試験片1の表層部は粒界破壊により破断していることも観察できた。
この比較例1では、材料とガス浸炭処理については実施例1と同様の試験片1を使用して、超音波式の引張り圧縮疲労試験を行った。この引張り圧縮疲労試験では、試験片1の軸方向に超音波振動による引張り圧縮負荷が加えられた。この引張り圧縮疲労試験では、試験片1に対する入力周波数(f0)が、約20200Hzに設定された。その結果を図10に示す。
ちなみに、図10の横軸のサイクル数は、試験片1が破断した際の繰り返し回数である。図10の縦軸の疲労強度は、試験初期の試験片1に負荷された引張り圧縮応力(MPa)である。
また、試験片1の破断面の電子顕微鏡写真を図11(c)に示す。
図11(c)に示すように、試験片1の内部には試験片の軸周りにストライエーションが観察されたことから、浸炭層内部より破断が始まったことがわかる。また、試験片1の表層部は粒界破壊により破断していることも観察できた。
(比較例2)
この比較例2では、ガス浸炭処理を行っていない以外は比較例1と同様の試験片1を使用し、比較例1と同様に引張り圧縮疲労試験を行った。その結果を図10に示す。
この比較例2では、ガス浸炭処理を行っていない以外は比較例1と同様の試験片1を使用し、比較例1と同様に引張り圧縮疲労試験を行った。その結果を図10に示す。
(疲労試験の評価)
図10に示すように、ガス浸炭処理を行った試験片1を使用した比較例1は、ガス浸炭処理を行っていない比較例2よりも疲労強度が低い結果となっている。つまり、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験では、図11(c)に示すように、浸炭によって硬化処理された試験片1の表層部より先に内部から破断したので、ガス浸炭処理を行って硬化処理した結果を反映した疲労試験結果を得ることができなかった。
図10に示すように、ガス浸炭処理を行った試験片1を使用した比較例1は、ガス浸炭処理を行っていない比較例2よりも疲労強度が低い結果となっている。つまり、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験では、図11(c)に示すように、浸炭によって硬化処理された試験片1の表層部より先に内部から破断したので、ガス浸炭処理を行って硬化処理した結果を反映した疲労試験結果を得ることができなかった。
これに対して、実施例1では、図11(a)及び(b)に示すように、試験片1の表面から内部に向かって亀裂が発生する。その結果、図10に示すように、ガス浸炭処理を行った試験片1を使用した実施例1は、ガス浸炭処理を行っていない実施例2よりも疲労強度が高い結果となっている。つまり、本実施例の超音波ねじり疲労試験では、ガス浸炭処理を行って硬化処理した結果を反映する疲労試験結果となっており、本発明によれば、試験片1の疲労特性を精度よく求めることができることが判明した。
1 試験片
2 超音波振動子
4 共振周波数検出手段
4a ギャップセンサ
5 ねじり角検出手段
5a マイクロスコープ
6 制御部
11a 上側軸部
11b 下側軸部
11c 括れ部
13 支持部
14 マーカ(印)
15 平坦面
21 圧電アクチュエータ
22 ホーン
31 信号発信器
32 増幅器
51 変曲点
52 変曲点
61 変曲点
62 変曲点
S 超音波ねじり疲労試験システム
2 超音波振動子
4 共振周波数検出手段
4a ギャップセンサ
5 ねじり角検出手段
5a マイクロスコープ
6 制御部
11a 上側軸部
11b 下側軸部
11c 括れ部
13 支持部
14 マーカ(印)
15 平坦面
21 圧電アクチュエータ
22 ホーン
31 信号発信器
32 増幅器
51 変曲点
52 変曲点
61 変曲点
62 変曲点
S 超音波ねじり疲労試験システム
Claims (5)
- 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小な印を前記試験片に設けたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。 - 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
ねじり角検出及び亀裂発生検出のための平坦面を前記試験片に設けたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。 - 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを前記試験片に設けたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。 - 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
前記試験片の上下軸部半径R2と括れ部の最小半径R1の比R2/R1が1.5〜2.6の範囲で設定されたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。 - 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験方法であって、
ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを設けた前記試験片を準備する工程と、
前記試験片の共振時における前記試験片の微小な前記印の振動幅に基づいて前記試験片のねじり角を検出する工程と、
前記平坦面と向き合う位置に配置したギャップセンサからの出力値をモニタリングして前記出力値の変化量が一定値以上となった際に前記試験片に亀裂が発生したと判断する工程と、
を有することを特徴とする超音波ねじり疲労試験方法。
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