JP2019053009A

JP2019053009A - 超音波疲労試験機用治具

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Publication number: JP2019053009A
Application number: JP2017179086A
Authority: JP
Inventors: 融松浦; Toru Matsuura
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-04-04
Also published as: US20190086307A1; CN109520825A; EP3460465A1

Abstract

【課題】各種材料の試験片の設計を容易にするとともに、試験片に高応力を繰り返し与える疲労試験を行うことが可能な超音波疲労試験機用治具を提供する。【解決手段】一対の治具１０は、互いに同じ質量を有するものであり、試験片Ｓの中央部の応力が希望値となるように試験片形状を考慮して重さが調整されている。すなわち、この治具１０は、試験片Ｓの共振周波数および応力を調整するための重さ調整具として機能する。上下の治具１０は、上側の治具１０の重心と下側の治具１０の重心が試験片Ｓの中央部を通る垂直線上に位置するように、試験片Ｓの両端部に取り付けられる。【選択図】図２

Description

この発明は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行うときに試験片に装着する超音波疲労試験機用治具に関する。

超音波を利用して試験片に振動を与え、材料の疲労寿命を評価する超音波疲労試験では、例えば、２０ｋＨｚの正弦波振動に試験片を共振させることにより、試験片に繰り返し応力を負荷している。超音波疲労試験機においては、超音波振動子からの超音波振動をホーンにより増幅して試験片に伝達している。このため、試験片を確実にホーンに装着する必要がある。試験片のホーンへの装着は、振動エネルギーの伝達性の観点から、ネジ結合により行われている（特許文献１参照）。

図９は、従来の丸形試験片の形状と応力曲線および振幅曲線との関係を示す説明図である。この図において、紙面左側に丸形試験片を示し、紙面右側に軸方向の応力曲線Ｐを破線で変位曲線Ｅを実線で示している。

超音波疲労試験用の試験片は、超音波振動子からの超音波振動と同じ共振周波数を持つ必要がある。したがって、図９に示すように、試験片の形状は、ホーンの試験片の取り付け位置Ｂでの応力振幅がゼロとなり（変位振動の腹となる）、試験片の中央部の位置Ｃの応力振幅が最大となる（変位振動の節となる）ように設計される。

特開平５−８７７１９号公報

金属材料の場合、ホーンの先端に形成された雌ネジに対応する雄ネジを、材料を加工して試験片を製作する際に、試験片の本体と一体的に形成している（特許文献１、図９参照）。超音波疲労試験機は、標準的な丸形試験片用に設計されており、板状試験片を超音波疲労試験用に製作する場合でも、丸形試験片の場合と同様にホーンの雌ネジに対応するネジ径の雄ネジを形成する必要がある。板状試験片の板厚が、ネジ径より十分厚い材料であればよいが、ネジ径より薄い板厚の試験片を製作したい場合には、精度の高いネジ加工を行うことが要求され、板状試験片の製作を困難なものにしている。

また、近年では高強度鋼に対して、１０００ＭＰａ級の高い応力での疲労試験が望まれている。一般的な丸形試験片用に設計された超音波疲労試験機で板状試験片に試験を行うと、板状では丸形に比べ試験片両端の質量が減るため、試験片の中央部と両端部の幅の寸法比率が同程度の場合、共振時の中央部での応力が丸形試験片に比べて半分以下になる。

図１０は、板状試験片モデルの共振シミュレーションを示す図である。なお、図１０では、共振時の中央部での応力が丸形試験片の場合と同等となるように設計した板状試験片を中央部で切断した１／２モデルを示している。図１０（ａ）は、共振前の状態を示している。図１０（ｂ）は、一般的な超音波疲労試験機で実現できる最大の正弦波応力波形を試験片に与えた状態を示し、共振前の試験片を破線で、共振時に横ブレが生じている試験片を実線で示している。

図１０の板状試験片は、中央部の径よりも両端部の幅寸法を大きくすることで、中央部の応力が丸形試験片の場合と同等となるように設計されている。正常な試験では、試験片は波の進行方向と平行に縦振動する（図１０（ａ）の矢印Ａの方向）。しかしながら、板状試験片では、図１０（ｂ）に実線で示すような横ブレが縦振動と近い周波数で発生し、正常な試験が妨げられてしまう。このように、高応力に対応した板状試験片の製作が困難な場合がある。

上述したように、試験片の中央部に希望する応力をかけるために、試験片の両端部の質量が中央部に比べて十分大きくなるように材料そのものを加工するには限界がある。一方で、試験片としての形状加工が難しい材料もある。そのような材料として、例えば、近年開発が進んでいるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料がある。複合材料では、材料を直接ネジ加工することや、繊維の積層方向に並行にタップ加工することなど、材料を従来の超音波疲労試験用の試験片形状に加工することが困難であり、高応力に対応した試験片の製作が困難となっている。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、各種材料の試験片の設計を容易にするとともに、試験片に高応力を繰り返し与える疲労試験を行うことが可能な超音波疲労試験機用治具を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、超音波振動子からの振動をホーンで増幅し、前記ホーンの先端に接続された試験片を共振させる疲労試験に使用する超音波疲労試験機用治具であって、本体部と、前記試験片の端部を保持するつかみ部とを有し、前記試験片の両端に取り付けて、前記試験片の両端部の質量を調整することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波疲労試験機用治具において、前記つかみ部とは逆側となる前記本体部の端部に、前記ホーンに接続するためのネジ部が設けられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波疲労試験機用治具において、前記本体部の端部を前記ホーンに接続するときは、前記本体部と前記ホーンとの間に調整板を介挿し、前記本体部の端部を自由端とするときは、前記自由端に調整板を取り付けることにより、前記試験片の両端部の質量を調整する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の超音波疲労試験機用治具において、前記つかみ部は、前記試験片の端部を保持するにあたって、ネジを使用した押圧力により前記試験片の端部を挟持する押圧力発生部材を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の超音波疲労試験機用治具において、前記押圧力発生部材の重さを変更することにより、前記試験片の両端部の質量を調整する。

請求項１から請求項５に記載の発明によれば、この超音波疲労試験機用治具を試験片の両端部に取り付けることで、試験片の端部側の質量を増すことができる。これにより、試験片自体の端部の質量を大きくすることなく、試験片の中央部に対して試験片の端部側の質量を大きくすることができ、試験片の中央部に目標とする高応力を繰り返し与えることが可能となる。したがって、丸形試験片用に構成された超音波疲労試験機の容量を上げることなく、そのままの装置構成でも、試験片に対して、１０００ＭＰａ級の高い応力での疲労試験を実行することが可能となる。また、この超音波疲労試験機用治具を試験片の両端部に取り付けることで、試験片製作時に超音波疲労試験機のホーンに接続するネジ部を試験片自体に設ける必要がなく、ネジ加工が困難な材料の超音波疲労試験が可能となる。異なる重さの超音波疲労試験機用治具の対を用意しておけば、計算で求めた長さで試作した試験片では、望む共振周波数の精度が出ない場合でも、単純なばね・マス系と仮定すると共振周波数ωは√(ばね定数/質量)となるので、試験片に装着する超音波疲労試験機用治具を異なる重さのものに交換することで、共振周波数の調整が容易に行える。このため、従来のように、長さの異なる調整用試験片を製作し、それぞれの共振周波数を実測して最適な試験片長さを決める必要がなくなり、試験片の製作が容易になる。

請求項３に記載の発明によれば、調整板により、試験片の両端部の質量を調整することから、調整板の枚数や厚みを調整することにより、試験片の中央部に与える目標応力に応じた共振周波数の微調整を容易に行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、一組の超音波疲労試験機用治具を、試験片を交換しながら繰り返し使用することが可能である。

請求項５に記載の発明によれば、押圧力発生部材の重さを、試験片の中央部に与える目標応力に応じて変更できることから、超音波疲労試験機用治具の重さの変更がより容易に行え、試験片の共振周波数を微調整することができる。

この発明に係る超音波疲労試験機用治具１０を装着して疲労試験を実行する超音波疲労試験機の概要図である。この発明に係る超音波疲労試験機用治具１０の概要図である。超音波疲労試験機用治具１０の重さ調整を説明する概要図である。この発明の第２実施形態に係る超音波疲労試験機用治具２０の概要図である。この発明の第２実施形態に係る超音波疲労試験機用治具２０の正面概要図である。この発明の第３実施形態に係る超音波疲労試験機用治具３０の正面概要図である。この発明の第４実施形態に係る超音波疲労試験機用治具４０の概要図である。この発明の第４実施形態に係る超音波疲労試験機用治具４０の断面概要図である。従来の丸形試験片の形状と応力曲線および振幅曲線との関係を示す説明図である。板状試験片モデルの共振シミュレーションを示す図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る超音波疲労試験機用治具１０を装着して疲労試験を実行する超音波疲労試験機の概要図である。

この超音波疲労試験機は、超音波により試験片Ｓを共振させて疲労試験を行うものであり、発振器３により作成された信号により振動する超音波振動子５と振動を増幅して試験片Ｓに伝達するホーン６とからなる振動部７と、振動部７が取り付けられるフレーム１と、を有する。発振器３は、制御部２において設定された試験周波数に基づいて電気信号を作成する。図１に示す振動部１３および試験片Ｓの配置は、試験片Ｓに縦方向の振動を与える疲労試験を行うようにしたものである。

試験片Ｓは、板状試験片であり、一対の超音波疲労試験機用治具１０（以下、必要に応じてこの明細書において、超音波疲労試験機用治具１０を「治具１０」と呼称する）により両端を挟持されている。この一対の治具１０は、互いに同じ質量を有するものであり、試験片Ｓの中央部の応力が装置の能力範囲内で、希望値（目標応力）となるように試験片形状を考慮して重さが調整されている。すなわち、この治具１０は、試験片Ｓの共振周波数および応力を調整するための重さ調整具として機能する。重さの調整としては治具１０の長さや幅の寸法を調整すればよい。上下の治具１０は、上側の治具１０の重心と下側の治具１０の重心が試験片Ｓの中央部を通る鉛直線上に位置するように、試験片Ｓの両端部に取り付けられる。上下治具１０と試験片Ｓの重心位置を鉛直線上に合わせることにより、不要な横ブレ共振の誘発を防ぐことができる。上側の治具１０は、ネジ結合によりホーン６に接続されている。下側の治具１０は、ネジ結合によりフレーム１に固定されたホーン６に接続されている。この図１の例では、試験片Ｓに平均応力を付与するために、下側の治具１０も同じ周期で共振するホーン６に接続している。なお、下側の治具１０は、試験の目的に応じて、自由端としてもよい。また、図１の例では、試験片Ｓの上側から試験片Ｓに縦方向の振動が与えられる構成となっているが、フレーム１の上下から試験片Ｓに振動を与える場合には、下側の治具１０に接続しているホーン６も超音波振動子５および発振器３に接続される。

図２は、この発明に係る超音波疲労試験機用治具１０の概要図である。

この治具１０は、本体部１１と、試験片Ｓの端部を挟持する一対のつかみ部１２を有する。ホーン６に接続する側であって、つかみ部１２とは逆側となる治具１０の本体部１１の端部（端面）には、ホーン６の先端にネジ結合により接続させるためのネジ部１６が設けられている。一対のつかみ部１２の間に試験片Ｓの端部を挿入し、焼き嵌め、圧着や溶接、ロウ付け、接着剤の固着によって、試験片Ｓと治具１０とを一体化し、保持する。なお、一対の治具１０は、一対の治具１０の各々の重心が、試験片Ｓの中心部を通る直線上に合うように、試験片Ｓに取り付けられる。

図３は、超音波疲労試験機用治具１０の重さ調整を説明する概要図である。図３（ａ）は、ホーン６にネジ結合により接続する治具１０の重さ調整を示し、図３（ｂ）は、下側の治具１０を自由端としたときの重さ調整を示している。

一対の治具１０は、試験片Ｓのサイズに合わせて同じ質量のものが用意される。一方で、用意した治具１０では、試験片Ｓの中央部の応力が希望値（目標応力）となるには重さが足りない場合もある。このような場合には、図３に示すように、一対の治具１０に対して重さの調整を行う。

計算で求めた長さで試作した試験片Ｓで、望む共振周波数の精度がでなかったとしても、治具１０の重さを調整するようにしている。このように、試験片Ｓに治具１０を取り付けることで、試験片Ｓの両端部の実質的な質量を、試験片Ｓの中央部の応力が目標とする値となるように、中央部に比べて十分大きくすることができる。この実施形態では、厚さの異なる調整板１３ａ、１３ｂを複数用意している。この調整板１３ａ、１３ｂは、ネジ部１６が貫通する孔が設けられている。そして、目標とする重さとなるように、厚さの異なる調整板１３ａ、１３ｂを選択してホーン６の先端と治具１０との間に介挿することで、試験片Ｓの両端部の重さを調整している。なお、下側の治具１０をホーン６に接続せずに自由端とする場合は、図３（ｂ）に示すように、治具１０の端面に雌ネジを設け、厚さの異なる調整板１４ａ、１４ｂをボルト１５により固定することにより取り付ける。

試験片Ｓの両端に一対の治具１０を装着した状態で、治具１０をホーン６の先端に接続して試験を開始すると、治具１０は試験片Ｓとともに共振する。試験片Ｓは、従来のようにホーン６に直接接続するように加工する必要はなく、ホーン６と治具１０の接続部が変位振動の腹となり、試験片Ｓの中央部が変位振動の節となるように、治具１０の重さを考慮して、試験片Ｓの長さを決めることになる。

図４は、この発明に係る超音波疲労試験機用治具２０の概要図である。図５は、この発明に係る超音波疲労試験機用治具２０の正面概要図である。

この治具２０は、本体部２１と、押圧力により試験片Ｓの端部を挟持する一対のつかみ部２２を有する。ホーン６に接続する側の治具２０の本体部２１には、ホーン６の先端にネジ結合により接続させるためのネジ部２６が設けられている。一対のつかみ部２２には、試験片Ｓおよびつかみ部２２を貫通するネジ２４を通す穴が設けられている。なお、この治具２０を装着する試験片Ｓには、ネジ２４を通す穴加工を予め施しておく必要がある。また、試験片Ｓの端部を一対のつかみ部２２の間に挿入した状態で隙間がないのが理想的である。この実施形態では、図５に示すように本体部２１の試験片Ｓの端部を向く側に割り２７を設けていることから、左右２つのナット２５をバランスよく締めることで試験片Ｓに作用させる押圧力を発生させ、つかみ部２２の内面を試験片Ｓの端部の側面に十分に密着させることができる。なお、つかみ部２２の内面と試験片Ｓの端部の側面との間に、スペーサを挿入してもよい。スペーサには、例えば、タブとして使用されるアルミニウムなどの軟らかい金属が採用できる。

使用者は、ネジ２４の両端にナット２５を締結しネジ２４およびナット２５を操作して、一対の治具２０の各々の重心を試験片Ｓの中心部を通る直線上に合わせて、試験片Ｓを一対のつかみ部２２で確実にクランプし、保持させる。このように、治具２０の重心と試験片Ｓの中心部とを合わせることにより、不要な横ブレ共振の誘発を防ぐことができる。なお、この第２実施形態の治具２０は、第１実施形態の治具１０と異なり、試験片Ｓに対してネジ止めしているため、試験片Ｓを交換して繰り返し使用することが可能である。

試験片Ｓの両端に一対の治具２０を装着した状態で、治具２０をホーン６の先端に接続して試験を開始すると、治具２０は試験片Ｓとともに共振する。すなわち、試験片Ｓと治具２０とを含めた全体が試験周波数で共振する。上述したように、治具２０の重さを調整することで、試験片Ｓの両端部の実質的な質量を、試験片Ｓの中央部の応力が目標とする値となるように、中央部に比べて十分大きくすることができる。このため、既存の超音波疲労試験機では試験片Ｓの中央部に高応力を繰り返し負荷する疲労試験の実行が困難とされていた材料でも、試験片形状の設計と試験片Ｓの製作に時間と手間をかけることなく、試験を実行することが可能となる。

試験片Ｓは、従来のようにホーン６に直接接続するように加工する必要はなく、ホーン６と治具２０の接続部が変位振動の腹となり、試験片Ｓの中央部が変位振動の節となるように、治具２０の重さを考慮して、試験片Ｓの長さを決めることになる。この実施形態では、ナット２５の高さ寸法の変更や、ネジ２４の長さ、ネジ２４に締結するナット２５の厚さ変更や、数の増減により、ホーン６の先に接続した治具２０を含む試験片Ｓの両端部分の質量を容易に変更することが可能である。したがって、計算で求めた試験片Ｓの長さで、望む共振周波数の精度がでなかったとしても、ネジ２４やナット２５などの取り外し可能な部材の重さ変更により、治具２０の重さを調節することができる。

このように、図５の治具２０では、一対のつかみ部２２を試験片Ｓに押し付けるための押圧力発生部材としてネジ２４とナット２５を使用し、ナット２５で治具２０の重さが変更できるようにしている。なお、治具２０は、治具２０の本体部２１の重さが異なる対を用意しておき、希望の共振周波数や試験片Ｓの中央部に与える目標応力に応じて、試験片Ｓに対して付け替えるようにしてもよい。また、図３に示す第１実施形態の場合と同様に、一対の治具２０に調整板１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを挿入して重さを調整してもよい。

図６は、この発明の第３実施形態に係る超音波疲労試験機用治具３０の正面概要図である。なお、第２実施形態と同一の部材については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

この実施形態の治具３０は、ネジ２４に代えて、一対のネジ３４を備える。このネジ３４は、例えば、六角穴付止めネジ、すり割り付止めネジなどであり、工具を用いて締め付けることができるものである。つかみ部２２の左右のそれぞれにはネジ３４と螺合するネジ孔が形成されている。ネジ３４の先端には、試験片Ｓの端部側面に当接するスペーサ３３が配設されている。上述した第２実施形態の治具２０を装着するときのように、試験片Ｓの材質が両端部にネジ２４を通す穴加工をすることが困難な場合には、この治具３０を使用する。使用者は、一対のつかみ部２２に形成したネジ孔に螺合させたネジ３４の各々をバランスよく操作して、スペーサ３３を試験片Ｓの両端部の側面に密着させて押圧力を作用させることで、一対のつかみ部２２に試験片Ｓをクランプし、保持させる。そして、ナット２５は治具３０の重さ調整のためのものであるが、ネジ３４で試験片Ｓをクランプした後でネジ３４に螺合させ、つかみ部２２の外面に押し付けて固定しておく。厚さの異なるナット２５を使用することによって治具３０の重さ調整を行うことができる。

なお、図６の治具３０では、一対のつかみ部２２を試験片Ｓに押し付けるための押圧力発生部材としてネジ３４を使用し、ナット２５で治具２０の重さが変更できるようにしているが、ネジ３４とナット２５に代えてボルトを採用してもよい。ボルトの頭の大きさを変更することでも、治具３０の重さを変更できる。

図７は、この発明の第４実施形態に係る超音波疲労試験機用治具４０の概要図であり、図８は、その断面概要図である。なお、図８（ａ）は、焼き嵌め、圧着や溶接、ロウ付け、接着剤による固着によって、試験片Ｓを保持する治具４０を示し、図８（ｂ）は、ネジ４４より、試験片Ｓを保持する治具４０の変形例を示す。

この実施形態の治具４０は、所謂、線材と呼称される試験片Ｓを保持するものである。線材に対して高応力での試験を行うために、図９を参照して説明したような中央部を削った形状の試験片Ｓを準備するのは、現実的ではなかった。しかしながら、中央部をより細く削ることが困難な線材でも、図７に示すように、両端に重りとなる治具４０を装着することで、試験片Ｓの中央部に高応力を与えることが可能となる。

この治具４０の一方の端部にはホーン６に接続するためのネジ部４６が設けられ、他方には、図８（ａ）に示すように、試験片Ｓの先端部が挿入可能な穴が設けられている。なお、この穴の内壁は試験片Ｓの側面と密着することから、この穴は、この発明のつかみ部として機能する。すなわち、穴に試験片Ｓの端部を挿入し、焼き嵌め、圧着や溶接、ロウ付け、接着剤による固着によって、治具４０を試験片Ｓに装着する。また、図８（ｂ）に示すように、穴の内壁まで貫通するように治具４０の側部にネジ孔を設け、ネジ４４を挿入し、ネジ４４の先端を試験片Ｓの側面に当接させることにより、試験片Ｓを治具４０に保持させるようにしてもよい。また、図３に示す第１実施形態の場合と同様に、一対の治具４０に調整板１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂを挿入して重さを調整することが可能である。

この発明の治具１０、２０、３０、４０を用いることで、最適な共振周波数を微調整するために、長さの異なる試験片Ｓを用意してそれぞれの共振周波数を実測し、最適な試験片Ｓの長さを決める必要がなくなり、試験片Ｓの製作が容易となる。例えば、材料によっては、一般的な静的引張試験用に加工された形状の板状試験片を超音波疲労試験に用いることもできるようになる。

１フレーム
２制御部
３発振器
５超音波振動子
６ホーン
７振動部
１０治具
１１本体部
１２つかみ部
１６ネジ部
２０治具
２１本体部
２２つかみ部
２４ネジ
２５ナット
２６ネジ部
２７割り
３０治具
３３スペーサ
３４ネジ
４０治具
４４ネジ
４６ネジ部
Ｓ試験片

Claims

超音波振動子からの振動をホーンで増幅し、前記ホーンの先端に接続された試験片を共振させる疲労試験に使用する超音波疲労試験機用治具であって、
本体部と、前記試験片の端部を保持するつかみ部とを有し、前記試験片の両端に取り付けて、前記試験片の両端部の質量を調整することを特徴とする超音波疲労試験機用治具。
請求項１に記載の超音波疲労試験機用治具において、
前記つかみ部とは逆側となる前記本体部の端部に、前記ホーンに接続するためのネジ部が設けられる超音波疲労試験機用治具。
請求項１に記載の超音波疲労試験機用治具において、
前記本体部の端部を前記ホーンに接続するときは、前記本体部と前記ホーンとの間に調整板を介挿し、前記本体部の端部を自由端とするときは、前記自由端に調整板を取り付けることにより、前記試験片の両端部の質量を調整する超音波疲労試験機用治具。
請求項１に記載の超音波疲労試験機用治具において、
前記つかみ部は、前記試験片の端部を保持するにあたって、ネジを使用した押圧力により前記試験片の端部を挟持する押圧力発生部材を有する超音波疲労試験機用治具。
請求項４に記載の超音波疲労試験機用治具において、
前記押圧力発生部材の重さを変更することにより、前記試験片の両端部の質量を調整する超音波疲労試験機用治具。